物理学家在突破性实验中抓住了单个原子

诸平

Fig. 1 LASER-cooled atom cloud viewed through microscope camera. Credit: University of Otago

Fig. 2 Mikkel Andersen (left) and Marvin Weyland in the physics lab. Credit: University of Otago

据新西兰奥塔哥大学（University of Otago） 马克·海瑟薇（Mark Hathaway）2020年2月20日提供的消息，奥塔哥大学研究人员首次将量子原子“固定”在位，并观察到了以前看不见的复杂原子相互作用。图1是奥塔哥大学提供的通过显微镜摄像机观察到的激光冷却的原子云图片。相关研究于2020年2月18日已经在《物理评论快报》（Physical Review Letters）杂志上发表——L. A. Reynolds, E. Schwartz, U. Ebling, M. Weyland, J. Brand, M. F. Andersen. Direct Measurements of Collisional Dynamics in Cold Atom Triads. Physical Review Letters, 2020, 124, 073401 – Published 18 February 2020. DOI: 10.1103/PhysRevLett.124.073401.参与此项研究的不仅有新西兰奥塔哥大学的研究人员，还有来自新西兰梅西大学新西兰先进研究所（New Zealand Institute for Advanced Study, Massey University） 和新西兰Dodd-Walls光子与量子技术中心（Dodd-Walls Centre for Photonic and Quantum Technologies, New Zealand）的研究人员。

奥塔哥大学物理系组装的各种设备，包括激光器、镜子、真空室（vacuum chamber）和显微镜，以及大量的时间、精力还有专业知识，为研究这一量子过程提供了要素，直到现在，人们了解到这一过程都是来自涉及大量原子的实验的统计平均值。

通过提供以前看不见的微观世界的观点，该实验改进了现有知识，使研究人员感到惊讶。

奥塔哥大学物理系副教授迈克尔·安德森(Mikkel F. Andersen)说：“我们的方法涉及在高真空室中，高真空室的大小约为一个烤面包机的体积，使用高度聚焦的激光束，将3个原子分别俘获并冷却至1开尔文温度（1 K）的百万分之一。我们缓慢地结合了包含原子产生可测量的受控相互作用。”

当3个原子彼此接近时，2个原子形成一个分子，并且都从该过程中释放的能量中获得一种反冲力（kick），显微镜摄像机可以放大并查看此过程。图2是迈克尔·安德森（Mikkel Andersen，左）和马文·韦兰德(Marvin Weyland)在物理实验室中的工作照。

“只有2个原子不能形成分子，至少需要3个原子才能完成化学反应。我们的工作是首次对这一基本过程进行了孤立的研究，结果证明它给出了一些令人惊讶的结果，这是人们无法预期的此前在大型原子云中进行的测量”，博士后研究者马文·韦兰德（Marvin Weyland）表示。

例如，研究人员能够看到各个过程的确切结果，并观察到一个新过程，其中2个原子一起离开了实验。到目前为止，在许多原子的实验中还无法观察到如此详细的水平。

马文·韦兰德补充说：“通过在这种分子水平上工作，我们现在对原子如何碰撞和相互反应有了更多的了解。随着技术的发展，这项技术可以提供一种构建和控制特定化学物质的单分子的方法。”

迈克尔·安德森副教授承认，对于量子物理学之外的人们可能很难理解这种技术和细节水平，但是他认为，这种科学的应用将在未来量子技术的发展中发挥作用，这种量子技术可能对社会产生的影响可与早期量子相比拟，即支持现代计算机和Internet的技术。

“在过去的几十年中，有关能够以越来越小的规模进行构建的研究为许多技术发展提供了动力。例如，这是当今手机比20世纪80年代的超级计算机具有更多计算能力的唯一原因。我们的研究尝试为能够以最小的规模（即原子级）建造铺平道路。我很高兴看到我们的发现将如何影响未来的技术进步，”迈克尔·安德森副教授说。

实验结果表明，与其他实验和理论计算相比，形成分子所花费的时间比预期的要长得多，目前尚不足以解释该现象。尽管研究人员提出了可能解释这一差异的机理，但他们强调在实验量子力学领域需要进一步的理论发展。更多信息请注意浏览原文或者相关报道。

Atom interaction discovery valuable for future quantum technologies

ABSTRACT            

The introduction of optical tweezers for trapping atoms has opened remarkable opportunities for manipulating few-body systems. Here, we present the first bottom-up assembly of atom triads. We directly observe atom loss through inelastic collisions at the single event level, overcoming the substantial challenge in many-atom experiments of distinguishing one-, two-, and three-particle processes. We measure a strong suppression of three-body loss, which is not fully explained by the presently availably theory for three-body processes. The suppression of losses could indicate the presence of local anticorrelations due to the interplay of attractive short range interactions and low dimensional confinement. Our methodology opens a promising pathway in experimental few-body dynamics.