天体物理联合研究所制造了创纪录的低温量子气体（KRb）。
《科学》杂志2月22日报道，天体物理联合研究所（JILA）的研究人员制造了一种钾-铷分子气体（下文简称KRb）。该分子气体的寿命和温度均创下新纪录。KRb并不遵循经典物理学对粒子性质的严格限制，而是符合量子力学的波型。KRb的温度可低至50毫微开尔文，仅略高于绝对零度。KRb分子处于可能的最低能量状态，构成简并费米气体。KRb的问世为扩展化学和量子计算等领域的可能性奠定了基础。
在量子气体中，分子的所有性质都会被量子化。将气体冷却到极低温度可以让研究人员最大限度地控制分子。KRb中涉及的两种原子分属不同的类别：钾（K）是一种具有奇数亚原子的费米子，铷（Rb）是一种具有偶数亚原子的玻色子。两者结合而成的分子具有费米特征。
JILA是由美国国家标准与技术研究所(NIST)和科罗拉多大学博尔德分校（University of Colorado Boulder）联合运营的研究机构。多年来，JILA的研究人员一直致力于理解和控制超冷分子。由于超冷分子有许多内部能级，还会旋转和振动，其复杂程度比原子更高。十年前，JILA的研究团队制造出了第一种分子气体。NIST/JILA研究人员Jun Ye说：“制造这种气体的基本技术与我们以前使用过的技术大致相同，但我们通过采用新技术显著改善了原子的冷却，并能在最低能量状态下进行大批量制造。这使转化效率得到提高。”JILA团队在250毫微开尔文时制造了大约100000个分子，在50毫微开尔文时制造的分子数量约为25000个。在此之前，低温双原子分子的产量最多能达到数万个，制造温度不能低于数百毫微开尔文。Ye说，JILA的新纪录远远低于量子效应开始取代经典效应的水平，并且分子的寿命长达数秒钟。
超低温和高致密度使新气体的物质波较其分子间距更长。这使得分子产生重叠，从而形成一个新的实体。科学家称这种现象为量子简并。量子简并意味着费米子间排斥力的增加、化学反应性的抑制和更稳定气体的出现。Ye认为这是科学家首次观察到集体量子效应直接影响单个分子的化学性质的案例。他说：“这是第一种来源于大量稳定分子的量子简并气体，化学反应也被抑制了。这是一个出人意料的结果。”
实验中产生的分子被称为极性分子——Rb带一个正电荷，K带一个负电荷。它们的相互作用因方向而异，并可以用电场进行控制。因此，与中性粒子相比，极性分子的相互作用更强、更可调。由此，研究人员就能够比较化学反应在量子环境和经典环境中的差异，并研究电场对极性相互作用的影响。通过以上研究，研究人员可能发现新的化学过程，以及研发类似分子时钟这样的新型精密测量工具。
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编译：雷鑫宇
审稿：西莫
责编：唐林芳
期刊来源：《科学》
期刊编号：0036-8075
原文链接：
https://phys.org/news/2019-02-coldest-quantum-gas-molecules.html
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