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“玩转”单原子
出品:科普中国
制作:中国科学院武汉物理与数学研究所 许鹏 刘敏

监制:中国科学院计算机网络信息中心

 

  原子的英文名(Atom)是从希腊语atoms,“不可切分的”)转化而来,其定义为化学变化中不可分割的最小单元。通常一个原子的直径在0.05纳米和0.5纳米之间。对于这样一种比头发丝直径还小几千几万倍的物体,甚至连世界上最精密的光学显微镜都无法直接观测,我们可以把它抓住,任意地操纵它吗?连量子力学的奠基人之一,伟大的物理学家薛定谔都对此表示极大的怀疑:“我们从来没有用一个电子、原子或者其他分子做过实验。在构想的实验中,我们的假设总是导致可笑的后果……”。但伴随着科技的发展和进步,在六十年前不可想象的实验,现在不仅在实验上实现了单个电子、单个离子、单个原子等的囚禁和操控,而且其相关的实验技术已经在世界各地实验室得广泛应用。其中2012年诺贝尔物理学奖还授予塞尔日.阿罗什和大卫.维因兰德,以表彰他们分别独立发明并拓展了在保持单个粒子量子力学特性的前提下,测量和操纵它们的方法。那么在这些单粒子中,单个原子到底是如何被捕获?又如何可以让这些单原子按照我们的意愿去行动呢? 

  捕获单原子的两种方式 

  一是采用扫描隧道显微镜(STM)或原子力显微镜等在固体表面捕获并操纵单个原子。典型的工作是由IBM的科学家在二十世纪九十年代完成的。他们采用STM移动吸附在金属表面的原子来排列成各种形状。尤其是用48个铁原子在铜表面形成半径为7.13纳米的量子空心围栏,并观察到囚禁表面态电子形成的驻波。这种方案主要用于研究表面电子与原子的相互作用、无缺陷表面电子波衰减、电子与声子激子相互作用等。另一种方法则是采用激光冷却并捕获气相中的单个原子。典型的工作是在超高真空中采用磁光阱将原子冷却到接近绝对零度(其典型温度在绝对零度之上的万分之一度)并囚禁,然后采用一个非常小的光阱,从中“挑”出一个原子。在这种情况下,一个原子几乎从环境中孤立出来,是一个典型的量子体系,它将会展现出一系列匪夷所思的特性,如既是波又是粒子的波粒二象性(单原子物质波),既死又活的薛定谔猫态(单原子电子叠加态)、现在所走的路径取决于未来的选择(单原子的惠勒延迟选择实验)等。为了观察到这些奇特的现象,我们需要将室温下的原子冷却到极低温的状态,意味着将原子的速度从几百米每秒降到几米甚至几厘米每秒。怎么办呢? 1997年诺贝尔物理学奖的得主们说,用激光! 

   原子冷却及单原子捕获 

  在介绍激光冷却的原理之前,大家需要先了解两条基本的规则:1,原子会吸收频率与其能级固有频率共振的光子,越共振越容易吸收;2,多普勒效应,原子逆着光传播方向运动时,感受到的激光频率会变大,反之感受到激光频率则变小。当原子在频率略低于其能级固有频率且相向传播的一对激光束中运动时,由于多普勒效应,原子倾向于吸收与其运动方向相反的光子,吸收后再向各个方向各向同性地自发辐射出光子。平均来说,激光对原子的作用就是产生一个与原子运动方向相反的阻尼力,从而使原子向前的速度越来越慢。只要在空间加上三对互相对射的激光束,那在三维空间六个方向上原子的速度都会被减慢下来。这就是斯坦福大学的朱棣文当时用于冷却原子的“光学糖浆(Optical molasses)”,意指原子在里面就像小虫子飞到糖浆里一样寸步难行。 

1、左图演示了速度为v的原子与动量为hk的光子相遇后,吸收光子后速度减小了hk/m 

然后各向同性释放光子后原子的总速度比最初降低了。右图是实验室拍到的三对激光

形成的光学糖浆。 

  但这样的“光学糖浆”只能将原子减速冷却下来,并不能捕获原子。要想抓住单个原子,则需要好几种技术的配合。首先是将原子囚禁在由特定梯度磁场与偏振激光相结合的磁光阱中。但这种磁光阱中囚禁下来的原子数目比较多,可以达到1010(和全世界人口差不多),温度在100微开左右(就比绝对零度高万分之一度)。对于单原子研究来说,这么多原子实在是太多了,怎样才能做到“弱水三千,只取一瓢”的境界呢?有一种很简单的方法:做一个超级小的阱,小到仅能容纳一个原子。法国科学家在2001年将一束远红失谐的激光聚焦到焦点半径小于1微米时,在焦点处就形成了一个这样的光偶极阱。把这样一个阱放到磁光阱中后,科学家就像挖了陷阱的猎人一样等待:当有一个原子掉到光阱中时,磁光阱立刻关闭,停止向光阱中继续装原子,这样就完成了单原子的捕获;万一有两个及以上的原子同时掉到光阱中,由于各种辐射逃逸及碰撞损失机制,会让这些原子以“迅雷不及掩耳之势”从阱中会逃走,快到我们都无法反应。通过这样简单而有效的机制,我们就可以捕获到单个原子,并进一步研究它的相关性质了。 

 2 单原子光偶极阱示意图及阱中单原子信号。 

  既“死”又“活”的单原子 

  著名的“薛定谔猫”把微观放射源所处的量子叠加态巧妙地与宏观的猫联系起来,形成了反直觉的既“死”又“活”的猫。而这种令人迷惑且吃惊的量子叠加态所引起的争论至今还没有平息,其中最著名当属爱因斯坦的“上帝永远不会掷骰子”。对于单个原子来说,实际情况到底如何,我们来看看实验的结果如何。图3显示了我们用上面的方法抓住一个单原子后,用拉曼光把原子制备到自旋向上和向下的叠加态,再探测原子处于自旋向上还是向下的状态。如果把电子自旋向上定义为“活”的单原子,电子自旋向下定义为“死”的单原子,那么我们可以看到在测量之前,永远无法预测这次测量时原子的状态是“死”还是“活”,这是一个量子随机的结果。随着测量次数的增多,“活”和“死”的原子数目比越来越接近11(因为我们制备的单原子叠加态波函数是,这样探测到原子“活着”和“死了”的概率各一半。 

 3 探测既“死”又“活”的原子,原子的状态是量子随机的,测量次数越多,

比值越接近11 

  这种量子叠加态对于微观粒子来说实在是再平常不过的状态,而这恰恰是统治微观世界的量子力学的核心秘密之一和魅力所在。在单原子体系上,目前科学家已经使最多2个原子达到“薛定谔猫”态。但如何使更多粒子构成的系统达到这种状态并保存更长时间,已成为实验物理学的一大挑战, 这种状态不仅具有理论研究意义,也有实际应用的潜力,比如,制成容错量子计算机的基本量子比特,可以用来制造极其灵敏的传感器以及原子钟、干涉仪等精密测量装备 

  单原子是波还是粒子 

  我们知道光既可表现出粒子的形式,又可呈现出波动特征,这取决于实验测量方法:对于时间的平均值,光表现为波动;对于时间的瞬间值,光表现为粒子性。而对于原子这样一个有质量的物体,我们理所当然地认为它就是粒子,但是法国物理学家德布罗意告诉我们:不止光子,一切微观粒子,都具有波粒二象性。对于单原子,其波动性表现为概率波,即原子在空间某点某时刻出现的概率大小是受波动规律支配的。这该如何理解呢?我们还是通过一个实验来说明这个问题。 

4 Mach-Zehnder型干涉仪的原理图。 

  4中是一个典型Mach-Zehner型原子干涉仪的原理图,我们用单个原子去完成这个实验,通过事先设计好的一系列脉冲序列,将单原子先分束再合束,最后进行测量。由于我们每次只用一个原子,当只做一两次这样的实验时,结果完全没有任何规律,单原子粒子性得到完美表现,但重复次数达到10次以上后,干涉条纹渐渐浮现出来,这就是单原子波动性的表现。虽然感觉难以相信,但这就是真实的实验结果。这样的单原子干涉仪将来可以用作微小范围内加速度的测量和微小力的测量。目前科学家已经利用单原子干涉仪感应到小到10-27牛顿的力。 

 5 单原子干涉条纹的浮现。 

  两个原子会怎样 

  对于自然界的认识,人们总希望从简单到复杂,从一个到多个去理解、去认识,正如老子《道德经》中所说“道生一,一生二,二生三,三生万物”。我们从一个原子入手也是抱着同样的期望,因为这样的系统更为纯粹、更为简单、更易于建模理解并计算。下面的工作充分体现了我们单原子操作的优势。 

  大家都知道,原子之间的碰撞是原子气体中普遍存在的相互作用,即使在通过激光冷却与囚禁得到的冷原子团中,碰撞问题仍备受关注。无论是制备超冷量子气体的蒸发冷却过程、冷原子形成分子的超冷化学过程,还是基于碰撞的量子信息与量子模拟中量子态的相干制备和消相干过程,都离不开对原子之间的弹性、非弹性碰撞甚至是反应性碰撞的认识。然而,在通常的一个含有成千上万个原子的多组分冷原子团中,原子数目的不确定性和同组分原子之间的碰撞等因素导致了碰撞截面测量的不准确。假如我们在光阱中只放一个铷-87原子和一个铷-85原子呢?大家可以想象,在这样一个光阱里,没有共振光的干扰,任何碰撞相互作用都发生在这两个异核原子之间,这样我们就能精确而纯净地提取异核冷原子在不同超精细能级下的碰撞损失速率。在实验上,通过精确控制实验参数,我们获得了铷-85和铷-87原子基态碰撞损失速率目前最为精确的数据,而且结果与法国国家科学研究院的G.V.Shlyapnikov教授、意大利特兰托大学的D.J.Papoular博士采用耦合通道理论计算的结果相吻合(更详细结果请参考Nature Communications 6,7803(2015))。 

 6 两个异核原子在光阱中碰撞损失的示意图。 

  这样的单原子间的碰撞研究可以很容易地扩展到其他原子,并且在这样的“超级纯净”的碰撞反应平台上,未来还可以研究单原子与单分子的碰撞、异核原子的相干碰撞等等,在粒子数目确定的化学反应的研究以及基于原子的量子信息处理和量子模拟研究方面都有重要价值。 

  展望 

  基于原子冷却与俘获的单原子制备及其量子调控,促进了人类对量子力学本质及物质运动状态的更深入、更彻底的了解,不仅是对现有科学技术的一种挑战和超越,而且已成为量子光学和冷原子物理领域的一个交叉热点。正如我们研究组组长詹明生研究员在“2015国际光年专题”上所展望的:“激光操控的单原子与单原子阵列将为量子信息处理与量子模拟提供独特的物理平台。单原子与原子芯片技术结合将会使原子这个单纯而且理想的量子体系良好的量子扩展性与芯片的经典扩展性结合起来,可能形成一种有前景的量子计算机芯片级处理器。光阱中的原子体系是对如Hubbard模型等进行量子模拟的理想体系,相互作用可控的单原子阵列不仅对多比特量子计算重要,也是量子模拟研究十分期待的。单体、两体再到三体(少体)物理,单原子动力学,量子体系的经典对应,人工光合作用优化,表面CasimirPolder力的精密测量、量子关联测量等,都可成为单原子用武之地。” 








 
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