【研究成果】冷原子研究新突破 高效且快速的量子氣體生成法

【研究成果】冷原子研究新突破 高效且快速的量子氣體生成法

量子气体（quantum gases）是一种非经典的新型物质态，被称为物质的第五态，与气态、液态、固态及等离子态并列。当气体冷却到接近绝对温度、个别原子的德布罗意（de Broglie）波长超过原子平均间距时，气体开始转变为量子气体，展现出宏观的量子现象——玻色-爱因斯坦凝聚（Bose-Einstein Condensation，BEC），此时多数原子处于系统的最低能量状态。超冷量子气体可以被精确控制，因此对于多体物理与量子模拟来说是非常重要的研究平台，近年来许多新的突破，都是建立在量子气体实验的基础上。

尽管爱因斯坦在1920年代就预测了BEC，但直到激光冷却（laser cooling）技术的发展，1995年物理学家Eric Cornell与Carl Weiman结合蒸发冷却（evaporating cooling）技术才首次实现了量子气体，因而获得2001年诺贝尔物理学奖。此后，产生量子气体的方法几乎都依赖蒸发冷却，其原理类似于将热水置于室温使水分蒸发降温，然而，这种冷却方式效率低，且需要时间让原子之间发生碰撞。

国立台湾大学物理系蓝劭宇副教授与其冷原子量子科学团队在最新发表于《自然物理》（Nature Physics）的研究中，展示了一种极为高效且快速的量子气体生成方法[1]，这种方法涉及将原子囚禁于激光干涉产生的三维光晶格，并运用电磁感应透明（electromagnetically induced transparency，EIT）冷却及绝热膨胀（adiabatic expansion），成功快速生成量子气体，效率可达近100%，速度较传统方法增加约100倍！这一创新技术大幅缩短了准备时间，可显著提高冷原子平台在量子传感与量子计算中的应用。

图1为该新方法的操作程序：光晶格由x、y、z三个维度的晶格激光干涉而成，利用磁光阱（magneto-optical traps，MOT）加载铷原子，接着进行EIT冷却。EIT光束包含两道相位同调的激光光，在EIT下，光与介质的相互作用改变了色散关系，导致狭窄的吸收谱线（故名电磁感应透明），两道激光光与吸收谱线耦合，激发原子振荡能级的冷却跃迁（n→n-1）而冷却。另外，通过交替开关光晶格激光来集中原子，达到增加原子空间密度的目的，最后将激光光随时间逐渐关闭，达到绝热膨胀，进一步增加相空间密度。团队在光晶格内加载了N=6.21(2)×105颗原子，EIT后晶格内原子数为N=6.04(3)×105，绝热膨胀最终测量到的最低温为154(3)nk，相对应德布罗意波长483 nm，和原子间的距离相当。

在冷原子中的“超新星”现象方面，为了观察系统的量子简并，蓝教授团队将原子从3D光晶格绝热释放到光偶极阱。过去的研究显示，对于BEC具有负散射长度（吸引作用）的原子，当原子数超过一个临界值，原子云会坍缩并接着爆发，如同超新星（supernova）的现象，被称为“玻色新星”（bosenova）。研究团队在生成的量子气体中观测到这个爆炸现象，证实热原子在仅10 ms的冷却转变为量子气体。图2为实验结果，图的中心为EIT与绝热膨胀技术在3D光晶格中形成的量子气体，原子云坍缩后，原子经由碰撞喷发出大量原子束形成原子环的结构。除此之外，蓝教授证明在1维的系统中，即使散射长度为负值，量子气体为稳定且强关联。

研究团队表示，这个实验是由下而上（down-top）来实现量子气体相变，不同於目前依赖原子碰撞的上而下（top-down）方法，前者省略掉此耗时的过程，能在10 ms以内达到约105个原子的量子简并，对於未来量子气体在量子传感与精准测量的应用，有极大的助益。

参考文献

[1] Xin, M., Leong, W. S., Chen, Z., Wang, Y., & Lan, S. Y. (2024). Fast quantum gas formation via electromagnetically induced transparency cooling. Nature Physics, 1-7.