Unveiling the BEC-droplet transition with Rayleigh superradiant scattering
本文通过分析不同磁场取向下的非单调散射效率和膨胀动力学，证明了瑞利超辐射散射既是表征偶极型 Er 气体中玻色-爱因斯坦凝聚态到液滴态转变的灵敏探测手段，也是一种控制机制。
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在宇宙中最寒冷的角落，当温度降至接近绝对零度时，原子不再表现为独立的粒子，而是开始表现为一个统一的物质波。这种被称为玻色-爱因斯坦凝聚态的状态，让科学家能够在大到可以用肉眼观察到的尺度上观测量子力学。在这些超冷云团中，研究人员可以调节原子间的相互作用力，使其以惊人的精度相互吸引或排斥。当吸引力恰好足够强大，足以克服气体自然扩散的趋势时，原子就会坍缩成微小的、自给自足的液滴，无需任何外部容器即可保持自身形态。理解气体如何转化为这些液滴，以及这些液滴如何与光相互作用，对于探索可能在未来彻底改变计算和传感技术的全新物质形态至关重要。
香港科技大学和莱斯大学的一个物理学家团队现在利用一种涉及光的巧妙技巧绘制了这一转化过程。他们使用了一团铒原子，将其冷却到形成一个细长的凝聚体。通过向这团云团中射入一束激光，他们触发了一种被称为瑞利超辐射散射（Rayleigh superradiant scattering）的现象。在这个过程中，原子并不仅仅是随机地散射光，它们会协调行动，将光子向特定方向散射，并向相反方向反冲，就像一群人同时推墙一样。这种反冲产生了两个从原始群体中飞离的新原子云，留下了一个被消耗掉的“母”云。研究人员不仅利用这种散射事件来观察原子，还利用它来主动控制原子，在极短的时间内移除精确比例的原子数量。
该团队发现，这种光散射的效率可以作为原子状态的灵敏测量计。当他们通过调节磁场来改变原子间吸引力的强度时，发现散射效率并非简单地呈线性增强或减弱。相反，效率在气体从平滑的凝聚态向液滴态转化的那一刻达到了峰值。在凝聚态一侧，原子分布较散，受到波函数模式中随机抖动的干扰，这使得散射效率较低。随着向液滴态移动，原子变得更加有序，从而提升了散射效率。然而，一旦进入液滴状态过深，效率又会再次下降。这种先升后降的非单调行为提供了一个清晰的特征，使科学家能够精确判定转变发生的时刻。
为了证实这些发现，研究人员利用光脉冲快速移除云团中的原子，然后观察剩余的“母”云团如何膨胀。在凝聚态阶段，移除原子会导致云团以可预测的方式膨胀，其形状仅发生轻微变化。但在液滴阶段，行为则截然不同。由于液滴是由一种微妙的力量平衡维持的，移除原子会导致剩余的云团膨胀得快得多，并且形状发生剧烈变化。通过测量光脉冲后云团的拉伸与收缩情况，该团队能够高精度地分辨出这两种相位。他们发现，膨胀云团的形状能准确告诉他们剩下了多少原子，以及系统处于凝聚态还是液滴态。
这项研究还探讨了磁场方向如何影响这一转变。通过相对于原子云长轴倾斜磁场，研究人员改变了原子相互吸引的方式。他们发现，随着磁场角度的增加，液滴形成的临界点发生了偏移。具体而言，当磁场倾斜时，需要更强的吸引力才能形成液滴，这意味着转变发生的设置取决于角度。这使得团队能够绘制出一幅详细的转变图谱，展示了在磁环境变化时，凝聚态与液滴态之间的边界是如何移动的。
这项工作证明了光散射既可以作为量子系统的探测器，也可以作为控制工具。不同于其他依赖缓慢、随机过程来移除原子的方法（这些方法可能会加热样本并模糊结果），这种技术几乎是瞬间且受控地移除原子。这种速度防止了原子发生碰撞并以混乱的方式损失能量，从而让研究人员能够研究转变的纯粹动力学。这种快速调节原子数量并观察即时响应的能力，为研究量子液滴如何形成和行为开辟了新的途径。通过理解这些转变，科学家可以更好地探索自结合量子物质的特性，这可能为深入了解宇宙在最小尺度上的基本本质提供洞见。
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