在原子物理学那静谧且受控的世界里，科学家们致力于减缓原子的疯狂运动，直到它们几乎静止。当原子被冷却到仅比绝对零度高出极微小部分的温度时，它们不再表现得像一种混乱的气体，而是开始表现得像一个单一且相干的物质波。这种被称为超冷混合物的状态，让研究人员能够以在室温下无法观察到的方式，研究不同类型的原子是如何相互作用的。通过使用经过精心调谐的激光来抽走这些原子的能量，物理学家可以将它们捕捉在无形的“光碗”中。在这些陷阱内，原子可以被诱导形成新的、奇异的分子，或者揭示支配其行为的隐藏力量。该领域许多人的最终目标是创造一种稳定、致密的异种原子集合，并能对其进行极高精度的操控，从而为构建新的量子技术或模拟复杂材料奠定基础。
华沙大学的一个研究小组现已成功将两种特定的原子混合物带到了这种超冷状态，实现了一个此前对其中一种组合而言仍无法触及的里程碑。他们专注于混合钾和铯，这两种是不同的化学元素，且都属于碱金属。虽然科学家此前已经成功冷却并捕获了最常见的钾形式与铯的混合物，但此前从未成功实现过对另一种较重且较不常见的钾同位素进行同样的操作。研究人员利用一种涉及“灰 molasses”（gray molasses）的专门技术，在单个真空腔内同时冷却了这两种混合物，这种方法通过调谐激光来减缓原子速度而不使其升温。随后，他们将冷却后的原子捕捉在由聚焦激光组成的陷阱中，创造出了一个包含数百万个此类原子的致密云团，所有原子的温度都降至约 10 微开尔文。这一成就标志着首次成功创建了由较重的钾同位素与铯组成的激光冷却并光学捕获的混合物。
研究人员利用这些新样本来探索原子如何相互作用，这一过程揭示了它们之间的隐形力量。通过施加磁场并观察陷阱中损失了多少原子，他们绘制出了原子会粘在一起或散射开来的特定条件。对于包含常见钾同位素的混合物，他们采用了一种巧妙的检测方法，根据原子的内部磁取向将其分离，从而能够同时观察三种不同的相互作用路径。这种方法揭示了十四个原子损失能量的独特特征，其中九个是此前从未在实验中观察到的。这些新观察结果包括了仅在理论上被预测到的、以特定复杂方式发生的相互作用，从而为这两类元素如何共同作用提供了更清晰的图景。
然而，对于包含较重钾同位素的混合物，情况则有所不同。虽然团队成功创建了冷云，但他们发现其中的原子从陷阱中消失的速度比另一种混合物要快得多。原子的损失并非遵循简单的、稳定的模式；相反，它起初发生得非常迅速，随后逐渐放缓，这表明原子在相互碰撞时以某种方式导致它们从陷阱中消失。这种快速衰减目前阻碍了研究人员对该混合物进行与另一种混合物同样详细的相互作用研究。尽管存在这一局限性，仅仅是创造出这种冷捕获混合物本身就是一个重要的进步。它证明了该实验装置可以处理这种特定的原子组合，为未来理解它们为何如此不稳定，并最终利用它们构建出这种此前从未探索过的同位素对所构成的首个超冷分子，打开了大门。
技术摘要：玻色型 39K-133Cs 与 41K-133Cs 混合物的同步亚多普勒激光冷却与光学捕获
问题陈述
不同原子物种的超冷混合物对于进入单物种系统无法实现的相互作用机制和分子态至关重要，特别是通过磁缔合产生极性基态异核分子的过程。由于钾-铯（K-Cs）体系具有提供包括玻色子和费米子在内的多种同位素以及强永久电偶极矩的优势，该体系备受关注，但实验进展几乎完全集中在 39K-Cs 混合物上。迄今为止，尚未实现激光冷却并光学捕获的 41K-Cs 混合物。此外，高效制备这些混合物需要克服在不损失原子数或温度的前提下，实现亚多普勒冷却与高效转移至光学偶极阱（ODT）之间的挑战。
实验方法
作者在一个单腔室装置中进行了实验，通过原子分配器直接从背景蒸汽中加载钾和铯原子。实验序列包括：
- 冷却方案： 钾同位素使用 D1 线灰模拉斯（具体为 Λ 增强型灰模拉斯）进行冷却，而铯的冷却则利用 D2 线上的完整序列。
- 转移优化： 为了解决从灰模拉斯到 ODT 转移效率低的问题，作者引入了一个“转移优化型灰光学模拉斯”（TO-GMC）阶段。该阶段专门针对加载进入不同的交叉 1064 nm 光学偶极阱的过程，优化了光束强度和持续时间。
- 自旋极化与捕获： 原子被自旋极化并限制在 ODT 中。对于 39K-Cs 混合物，实现了一种并行的自旋分辨检测方法，利用斯特恩-格拉赫（Stern–Gerlach）分离，在单次相互作用循环后区分三种 F=1 钾自旋组分（∣a⟩,∣b⟩,∣c⟩）。
- 光谱学与衰减分析： 通过通过改变磁场并测量原子损失进行费什巴赫（Feshbach）光谱学研究。通过在相当的温度和密度条件下测量衰减动力学，定量比较了 41K-Cs 混合物与 39K-Cs 的稳定性。
主要贡献与结果
- 首次实现 41K-Cs： 作者报告了首次实现激光冷却并光学捕获的 41K-Cs 混合物。39K-Cs 和 41K-Cs 混合物均被冷却至 ∼10 μK 的温度，其性能与单物种操作相当。
- 高转移效率： TO-GMC 阶段显著提高了加载效率。在单物种操作中，作者在 ODT 中获得了约 2.0×106 个 41K 原子和 3.6×106 个 39K 原子。对于混合物，他们分别实现了 N39K=3.1×106,NCs=3.8×106 以及 N41K=1.1×106,NCs=4.3×106 个原子。
- 多通道费什巴赫光谱学（39K-Cs）： 利用自旋分辨的斯特恩-格拉赫检测方法，作者同时测量了三个钾入口通道的损失谱。他们观察到了 14 个异核费什巴赫损失特征。其中五个与先前报道的共振相匹配，另外九个是实验首次观测到的，包括 p 波特征以及其他自旋通道中的共振。
- 衰减动力学比较： 与 39K-Cs 相比，41K-Cs 混合物在 ODT 中表现出显著更快的衰减。衰减是非指数型的，表明存在强烈的密度依赖型损失贡献（可能是异核多体过程）。虽然 39K-Cs 混合物的额外损失较弱，但 41K-Cs 混合物的快速衰减目前阻碍了对其进行系统的费什巴赫光谱学研究。
意义与主张
本文声称，所展示的超冷 41K-Cs 混合物的制备，为这一此前未被探索的同位素体提供了进行费什巴赫共振和光缔合光谱研究的必要起点。这项工作将实验可及的 K-Cs 系统扩展到了 39K-Cs 之外。作者指出，针对 39K-Cs 的额外光谱数据为相互作用势提供了进一步的约束。最终，这些结果为系统地进行相互作用光谱研究以及生产多种同位素体的超冷基态 KCs 分子建立了路径。作者指出，41K-Cs 混合物较短的寿命目前限制了对该特定混合物的系统共振搜索，作者量化了这一限制，但在本研究中并未解决。此外，该冷却方法也被认为可能适用于费米子 40K-Cs 混合物，但由于天然丰度限制，本研究未对其进行探索。
每周获取最佳 atomic physics 论文。
受到斯坦福、剑桥和法国科学院研究人员的信赖。
请查收邮箱确认订阅。
出了点问题，再试一次？
无垃圾邮件，随时退订。