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  • 成功形成巨大双原子分子,并实现直接观察

    成功形成巨大双原子分子,并实现直接观察

    马克斯普朗克量子光学研究所(MPQ)的物理学家们成功地形成了巨大双原子分子,并用高分辨率的物镜进行光学探测。传统双原子分子在亚纳米体系中的微小尺寸阻碍了其组分的直接光学分辨率。Immanuel Bloch教授领导的马克斯普朗克量子光学研究所量子多体分部的物理学家们能够在一微米的距离内结合一对高度激发的原子。这种巨大的键长可以与大肠杆菌这样的小生物细胞相媲美。

    成功形成巨大双原子分子,并实现直接观察

    通过直接光学分解两个结合原子,可以对潜在的结合结构进行微观研究。小尺寸和所有贡献电子之间的相互作用使得对分子键进行非常详细的实验和理论研究变得非常复杂。甚至原子结构,化学键的基本组成部分,也不能用分析的方法计算出来。只有氢原子(元素周期表上第一个也是最简单的元素,只有一个质子和一个电子)才能被精确地计算出来。从原子到分子的转变更加困难,由于地球上几乎所有的原子都是由分子结合而成。

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    所以感知分子结合的结构对于理解我们环境的物质属性是至关重要。只有一个电子处于高度激发态的原子,即所谓的里德伯原子,将氢原子的简单结构转移到更复杂原子上,因为单个激发态电子离原子核和其他电子很远。此外,近年来,Rydberg原子由于其强大的相互作用而受到了广泛的关注,这种相互作用甚至可以在微米距离下测量,并且已经应用于量子模拟和量子计算领域,研究团队现在通过使用激光可以使用这些交互以绑定两个里德伯原子。

    成功形成巨大双原子分子,并实现直接观察

    由于Rydberg原子理论相对简单,得到的分子的光谱分辨振动状态与理论计算能级在数量上是一致的。该研究的第一作者、博士生西蒙·霍尔瑞斯(Simon Hollerith)说:此外,大尺寸允许直接用显微镜观察键长和受激分子的方向。在实验中,物理学家开始使用原子距离为0.53μm的二维原子阵列,其中阵列的每个位置最初仅由一个原子占据。通过干涉激光束产生了将基态原子固定在初始位置的底层晶格。由于相关的分子被排斥出晶格,分子激发导致两个由键长隔开的空晶格点,在这种情况下,键长对应于晶格对角线的距离。

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    在激发脉冲后,用高分辨率物镜测量晶格的剩余原子占位,并将分子确定为相关的空位点。利用这种微观探测方法,物理学家们还可以发现,不同分子共振的受激分子的方向,相对于受激光的偏振,是平行排列和垂直排列交替的。其原因是基于电子结构和分子振动自由度的干涉效应,这也是由理论预期所预测的。在未来,MPQ团队计划使用新分子共振来模拟量子多体系统,两个里德伯原子的束缚态可以在键长距离上产生较大的相互作用强度。

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