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研究背景

超冷偶極分子是一種備受關(guān)注的研究領(lǐng)域，因其具有長程相互作用而成為了研究熱點。這種長程相互作用可以通過外部電場調(diào)節(jié)，從而為探索新奇的量子現(xiàn)象和物態(tài)提供了新的可能性。

然而，超冷偶極分子研究面臨著快速損失的挑戰(zhàn)，這一問題一直困擾著科學(xué)家們。由于量子統(tǒng)計的束縛效應(yīng)，玻色子分子的損失特別嚴(yán)重，而這導(dǎo)致了實現(xiàn)玻色-愛因斯坦凝聚（BEC）的困難。

成果簡介

為了解決這一問題，哥倫比亞大學(xué)物理學(xué)家塞巴斯蒂安·威爾（Sebastian Will）團隊提出了采用增強的碰撞屏蔽技術(shù)來減輕這一挑戰(zhàn)。他們通過強烈抑制二體和三體損失，成功地將超冷鈉-銫（NaCs）分子的集合從高溫蒸發(fā)冷卻到量子退化，并跨越了BEC的相變。相關(guān)研究在“Nature”期刊上發(fā)表了題為“Observation of Bose–Einstein condensation of dipolar molecules”的最新論文。他們的研究結(jié)果表明，采用這種策略可以有效克服損失問題，為超冷偶極分子領(lǐng)域的進一步研究和應(yīng)用提供了新的可能性。

研究亮點

1. 實驗首次實現(xiàn)了偶極分子的玻色-愛因斯坦凝聚（BEC）。

2. 通過強烈抑制二體和三體損失，實現(xiàn)了鈉-銫（NaCs）分子的BEC。蒸發(fā)冷卻過程將分子從700(50) nK冷卻到6(2) nK。

3. 實驗中觀察到了BEC的明顯跡象，包括相空間密度超過臨界值時的雙峰分布。

4. 通過實驗證實，BEC中凝聚物質(zhì)的分?jǐn)?shù)達(dá)到60(10)%，并且BEC表現(xiàn)出穩(wěn)定性，其1/e壽命達(dá)到1.8(1) s。

5. 實驗結(jié)果表明，分子現(xiàn)在具有了類似于原子的量子控制程度，這擴展了可以研究的量子系統(tǒng)的范圍。

圖文導(dǎo)讀

圖1：通過微波屏蔽實現(xiàn)了偶極NaCs分子的玻色-愛因斯坦凝聚態(tài)Bose–Einstein condensate，BEC。

圖2. 分子玻色-愛因斯坦凝聚態(tài)BEC的形成。

圖3. NaCs分子蒸發(fā)冷卻至量子簡并。

圖4：飛行時間擴展。

圖5: 玻色-愛因斯坦凝聚態(tài)BEC壽命。

結(jié)論展望

本研究揭示了偶極分子在量子系統(tǒng)控制和多體物理研究中的巨大潛力。首次實現(xiàn)偶極分子的BEC不僅是一個技術(shù)上的突破，更是對理論預(yù)言的有力驗證，證明了量子退化偶極分子可以成為探索新奇量子相的理想平臺。通過精心設(shè)計的微波屏蔽技術(shù)，我們成功地抑制了損失并創(chuàng)造了適合于弱相互作用的玻色氣體的條件，為探索強偶極量子物質(zhì)奠定了基礎(chǔ)。

此外，鈉-銫分子作為具有較大偶極矩的代表性系統(tǒng)，為調(diào)節(jié)弱至強偶極區(qū)域提供了理想的平臺，這在其他偶極系統(tǒng)中難以實現(xiàn)。未來的研究將集中在將這種弱相互作用的玻色氣體轉(zhuǎn)變?yōu)閺娤嗷プ饔孟到y(tǒng)，并探索其在量子模擬、量子信息和多體物理方面的潛在應(yīng)用。這項工作不僅擴展了我們對量子物質(zhì)的認(rèn)識，還為未來量子技術(shù)和基礎(chǔ)研究的發(fā)展提供了新的方向和可能性。

文獻信息

Bigagli, N., Yuan, W., Zhang, S. et al. Observation of Bose–Einstein condensation of dipolar molecules. Nature (2024). https://doi.org/10.1038/s41586-024-07492-z.

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