創氣體壽命和溫度的新紀錄！最冷量子氣體有多冷
天體物理聯合研究所製造了創紀錄的低溫量子氣體（KRb）。
《科學》雜誌2月22日報道，天體物理聯合研究所（JILA）的研究人員製造了一種鉀-銣分子氣體（下文簡稱KRb）。該分子氣體的壽命和溫度均創下新紀錄。KRb並不遵循經典物理學對粒子性質的嚴格限制，而是符合量子力學的波型。KRb的溫度可低至50毫微開爾文，僅略高於絕對零度。KRb分子處於可能的最低能量狀態，構成簡併費米氣體。KRb的問世為擴展化學和量子計算等領域的可能性奠定了基礎。
在量子氣體中，分子的所有性質都會被量子化。將氣體冷卻到極低溫度可以讓研究人員最大限度地控制分子。KRb中涉及的兩種原子分屬不同的類別：鉀（K）是一種具有奇數亞原子的費米子，銣（Rb）是一種具有偶數亞原子的玻色子。兩者結合而成的分子具有費米特徵。
JILA是由美國國家標準與技術研究所(NIST)和科羅拉多大學博爾德分校（University of Colorado Boulder）聯合運營的研究機構。多年來，JILA的研究人員一直致力於理解和控制超冷分子。由於超冷分子有許多內部能級，還會旋轉和振動，其複雜程度比原子更高。十年前，JILA的研究團隊製造出了第一種分子氣體。NIST/JILA研究人員Jun Ye說：「製造這種氣體的基本技術與我們以前使用過的技術大致相同，但我們通過採用新技術顯著改善了原子的冷卻，並能在最低能量狀態下進行大批量製造。這使轉化效率得到提高。」JILA團隊在250毫微開爾文時製造了大約100000個分子，在50毫微開爾文時製造的分子數量約為25000個。在此之前，低溫雙原子分子的產量最多能達到數萬個，製造溫度不能低於數百毫微開爾文。Ye說，JILA的新紀錄遠遠低於量子效應開始取代經典效應的水平，並且分子的壽命長達數秒鐘。
超低溫和高緻密度使新氣體的物質波較其分子間距更長。這使得分子產生重疊，從而形成一個新的實體。科學家稱這種現象為量子簡併。量子簡併意味著費米子間排斥力的增加、化學反應性的抑制和更穩定氣體的出現。Ye認為這是科學家首次觀察到集體量子效應直接影響單個分子的化學性質的案例。他說：「這是第一種來源於大量穩定分子的量子簡併氣體，化學反應也被抑制了。這是一個出人意料的結果。」
實驗中產生的分子被稱為極性分子——Rb帶一個正電荷，K帶一個負電荷。它們的相互作用因方向而異，並可以用電場進行控制。因此，與中性粒子相比，極性分子的相互作用更強、更可調。由此，研究人員就能夠比較化學反應在量子環境和經典環境中的差異，並研究電場對極性相互作用的影響。通過以上研究，研究人員可能發現新的化學過程，以及研發類似分子時鐘這樣的新型精密測量工具。
編譯：雷鑫宇
審稿：西莫
責編：南熙
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