分子的激光冷卻和捕獲是實(shí)現(xiàn)分子量子氣體和探索量子多體物理的重要步驟。然而，目前的分子激光冷卻技術(shù)還存在一些局限性，如分子數(shù)目較少、相空間密度較低、轉(zhuǎn)移效率較低等。為了克服這些困難，科學(xué)家們提出了一種新的分子激光冷卻和捕獲方案，即利用分子的特殊能級(jí)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了第一個(gè)分子藍(lán)移磁光陷阱（MOT）。這種陷阱可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)亞多普勒冷卻和較強(qiáng)的磁光捕獲力，從而顯著提高了分子的相空間密度和轉(zhuǎn)移效率。這項(xiàng)工作為進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)分子量子簡(jiǎn)并和探索新奇的量子現(xiàn)象提供了有力的支撐。

什么是分子激光冷卻和捕獲？

分子是由兩個(gè)或多個(gè)原子通過(guò)化學(xué)鍵相互連接而成的粒子。分子具有豐富的內(nèi)部自由度，如振動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)、電偶極矩等，因此可以用來(lái)模擬復(fù)雜的量子系統(tǒng)，如量子模擬器、量子計(jì)算機(jī)、量子信息處理等。然而，要實(shí)現(xiàn)這些應(yīng)用，首先需要將分子冷卻到極低的溫度（通常在微開爾文或納開爾文量級(jí)），使其處于量子簡(jiǎn)并狀態(tài)，即所有分子都處于最低能級(jí)或接近最低能級(jí)。這樣才能有效地控制和操縱分子之間的相互作用和相干性。

激光冷卻是一種利用激光與原子或分子之間的散射過(guò)程來(lái)降低其溫度的技術(shù)。當(dāng)一個(gè)原子或分子與一個(gè)頻率略低于其躍遷頻率的激光發(fā)生散射時(shí)，它會(huì)吸收一個(gè)光子，并獲得一個(gè)與光束方向相反的動(dòng)量。然后它會(huì)以同樣的頻率發(fā)射一個(gè)光子，并隨機(jī)地改變其動(dòng)量方向。通過(guò)重復(fù)這個(gè)過(guò)程，原子或分子的平均動(dòng)能就會(huì)降低，從而實(shí)現(xiàn)冷卻。如果同時(shí)沿著三個(gè)空間方向施加適當(dāng)頻率和強(qiáng)度的激光束，就可以形成一個(gè)稱為光學(xué)熔爐（optical molasses）的區(qū)域，在這里原子或分子被有效地減速和冷卻。 然而，僅僅通過(guò)激光冷卻還不能將原子或分子固定在空間中，因?yàn)樗鼈內(nèi)匀粫?huì)受到外界擾動(dòng)和碰撞而逸散。

為了解決這個(gè)問(wèn)題，人們發(fā)明了一種稱為磁光陷阱（MOT）的裝置，它結(jié)合了激光冷卻和磁場(chǎng)的作用。磁光陷阱的原理是利用一個(gè)四極磁場(chǎng)和兩對(duì)相互垂直的反向圓偏振激光束，使得原子或分子在空間中的每個(gè)位置都受到一個(gè)與其速度成正比的恢復(fù)力，從而實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的捕獲。磁光陷阱可以將原子或分子的溫度降低到亞多普勒溫度（sub-Doppler temperature。 原子的激光冷卻和捕獲已經(jīng)在過(guò)去幾十年中得到了廣泛的發(fā)展和應(yīng)用，如實(shí)現(xiàn)了玻色-愛因斯坦凝聚（BEC）、費(fèi)米氣體、量子調(diào)控、精密測(cè)量等。

然而，分子的激光冷卻和捕獲要比原子的難得多，因?yàn)榉肿拥哪芗?jí)結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，導(dǎo)致了一些困難，如躍遷頻率不匹配、自發(fā)輻射快速退激、黑體輻射加熱等。為了解決這些問(wèn)題，科學(xué)家們開發(fā)了一些特殊的分子激光冷卻方案，如頻率調(diào)制、刺激力學(xué)排斥、雙共振冷卻等。這些方案使得一些具有閉合躍遷循環(huán)或近似閉合躍遷循環(huán)的分子可以被直接激光冷卻和捕獲，如SrF、CaF、YbF、YbOH、YO等。

什么是分子藍(lán)移磁光陷阱？

目前已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了分子紅移磁光陷阱（red-detuned MOT），即使用頻率略低于分子躍遷頻率的激光束來(lái)形成光學(xué)熔爐和磁光陷阱。這種陷阱可以將分子數(shù)目增加到百萬(wàn)量級(jí)，但是相空間密度仍然很低，約為10^-6，遠(yuǎn)低于實(shí)現(xiàn)量子簡(jiǎn)并所需的10^-3。此外，由于紅移激光束會(huì)在分子周圍形成一個(gè)勢(shì)阱，使得分子從磁光陷阱轉(zhuǎn)移到保守型光學(xué)陷阱（conservative optical trap）時(shí)會(huì)受到能量勢(shì)壘的影響，導(dǎo)致轉(zhuǎn)移效率很低。

為了提高分子的相空間密度和轉(zhuǎn)移效率，科學(xué)家們提出了一種新穎的分子藍(lán)移磁光陷阱（blue-detuned MOT），即使用頻率略高于分子躍遷頻率的激光束來(lái)形成光學(xué)熔爐和磁光陷阱。這種陷阱利用了YO分子的特殊能級(jí)結(jié)構(gòu)，即其基態(tài)和第一激發(fā)態(tài)之間有兩個(gè)不同極化方向的躍遷通道，一個(gè)是π躍遷，另一個(gè)是σ躍遷。

通過(guò)選擇合適的圓偏振方向和頻率差異，可以使π躍遷的激光束形成一個(gè)藍(lán)移的光學(xué)熔爐，實(shí)現(xiàn)亞多普勒冷卻，而σ躍遷的激光束形成一個(gè)紅移的磁光陷阱，實(shí)現(xiàn)較強(qiáng)的捕獲力。這樣，分子就可以同時(shí)受益于兩種躍遷通道，達(dá)到更低的溫度和更高的密度。

科學(xué)家們?cè)趯?shí)驗(yàn)中使用了YO分子，通過(guò)調(diào)節(jié)激光束的頻率、強(qiáng)度和偏振，實(shí)現(xiàn)了第一個(gè)分子藍(lán)移磁光陷阱，并觀察到了約10萬(wàn)個(gè)分子被捕獲，相空間密度達(dá)到了10^-4，比之前的分子紅移磁光陷阱提高了兩個(gè)數(shù)量級(jí)。此外，由于藍(lán)移激光束不會(huì)在分子周圍形成勢(shì)阱，而是形成一個(gè)勢(shì)壘，使得分子從磁光陷阱轉(zhuǎn)移到保守型光學(xué)陷阱時(shí)會(huì)受到能量勢(shì)壘的幫助，導(dǎo)致轉(zhuǎn)移效率達(dá)到了近100%。

這項(xiàng)工作有什么意義和價(jià)值？

這項(xiàng)工作是分子激光冷卻和捕獲領(lǐng)域的一個(gè)重要突破，它展示了一種新的分子激光冷卻和捕獲方案，即利用分子的特殊能級(jí)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了第一個(gè)分子藍(lán)移磁光陷阱。這種陷阱可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)亞多普勒冷卻和較強(qiáng)的磁光捕獲力，從而顯著提高了分子的相空間密度和轉(zhuǎn)移效率。這為進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)分子量子簡(jiǎn)并和探索新奇的量子現(xiàn)象提供了有力的支撐。

例如，通過(guò)使用不同種類或不同量子態(tài)的分子，可以制備出具有豐富相互作用和對(duì)稱性的量子氣體，如偶極氣體、超固體、拓?fù)浣^緣體等。此外，通過(guò)使用具有特定功能或性質(zhì)的分子，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)量子系統(tǒng)的精確控制和操縱，如量子模擬器、量子計(jì)算機(jī)、量子信息處理等。這些應(yīng)用都有著廣泛的科學(xué)意義和技術(shù)價(jià)值。

審核編輯：劉清