量子撞球：解碼光輔助原子碰撞的奧秘
在一項突破性的研究中，科學家們開發了利用光學鑷子控制原子碰撞的新方法，為量子計算和分子科學的發展提供了重要見解。透過操縱光的頻率和原子的能階，他們繪製出特定原子特性如何影響碰撞結果的圖譜，為更精確的量子操控鋪平了道路。
當原子碰撞時，其結構（例如攜帶的電子數量或原子核的量子自旋）決定了它們的相互作用方式。這種效應在接近絕對零度的超低溫下更加顯著，此時量子力學佔主導地位。在這種極端條件下，原子有時會因雷射光而碰撞，短暫形成分子狀態後再分離，並釋放出大量能量。這些光輔助碰撞發生迅速，並影響廣泛的量子科學應用，但其發生的詳細機制仍未被充分理解。
在《物理評論快報》發表的一項新研究中，JILA研究員兼科羅拉多大學博爾德分校物理學教授Cindy Regal與前JILA副研究員Jose D'Incao（現任職於波士頓麻州大學）及其團隊，開發了創新的實驗和理論方法，測量了在小原子能階分裂存在下的光輔助碰撞速率。他們的研究依賴於光學鑷子——能夠捕捉單個原子的高度聚焦雷射光束——使團隊能夠以前所未有的精確度隔離和檢查特定原子對的相互作用。
透過揭示這些特殊原子碰撞的新見解，研究人員正在幫助改善對原子相互作用的控制，這是推進使用原子和分子陣列模擬複雜量子系統的關鍵一步。JILA研究生Steven Pampel作為論文的第一作者，希望更好地理解光輔助碰撞速率在不同情況下的變化。光的頻率與原子躍遷的關係，會導致各種不同的結果。
Regal解釋道，光輔助碰撞可以產生大量能量，這些能量被賦予碰撞的原子，可能導致原子逃離典型的陷阱。然而，若能控制這些能量，這些碰撞也可能變得有用。事實上，Regal團隊和其他全球研究團隊曾利用這種能量研究如何將原子載入光學鑷子。然而，對導致這種能量釋放的碰撞過程的全面理論理解仍然難以獲得，尤其是在考慮原子超精細結構時。
研究團隊在Regal的實驗室中，透過準備兩個銣原子在光學鑷子中的碰撞，開始了他們的實驗。他們利用一種技術，將單個原子載入兩個獨立的光學鑷子，然後將原子合併到一個光學陷阱中。合併後，施加了精心控制的雷射脈衝來驅動兩個原子之間的碰撞。
這種碰撞雷射光激發了原子，創造了一個量子疊加態，其中任一原子都可能吸收了光子，但無法確定是哪一個。在這種狀態下，電子力在比平常更大的距離上作用，並賦予原子足夠的動能，使其逃離陷阱。在這個量子撞球遊戲中，光子就像是撞擊兩個球（原子）的母球，將它們擊飛出桌面。
團隊隨後改變了碰撞光的頻率（即光子母球的能量），並測量了原子對逃離光學鑷子的速度。Pampel補充道：「我們將雷射設定在特定頻率，然後改變碰撞光的持續時間，觀察有多少原子留在陷阱中。從中，我們可以確定原子碰撞並獲得足夠能量逃逸的速度。透過在不同頻率下重複這一過程，我們可以繪製出超精細結構在這些碰撞中的影響。」
這一過程使研究人員能夠定量測量原子的損失率，並與超精細效應相關聯，這是前所未有的。在實驗中，團隊開發了一種新穎的成像技術，以準確確定碰撞後兩個原子是否仍留在陷阱中。這項技術至關重要，因為光學鑷子中的標準成像方法會在碰撞過程中無意中將兩個原子踢出陷阱，使人無法確定是碰撞光還是成像光將原子踢出。
Pampel解釋道：「我們提出了一種方法，利用一種特殊型別的光輔助碰撞，其中大多數情況下只有一個原子被踢出。這使我們能夠透過檢測單個原子來識別兩個原子的存在。這種機制通常用於將單個原子載入鑷子，但我們展示了它也可以在更受控的環境中用於雙原子檢測。」
研究人員還開發了一個理論模型，以理解他們的實驗結果，特別是為什麼將光頻率設定為接近某些超精細狀態時，會導致與其他超精細狀態不同的速率。D'Incao表示：「繪製出在光和超精細相互作用下兩個碰撞原子的勢能曲線，需要比以往僅考慮原子精細結構（電子自旋與角動量的相互作用）的工作更複雜的分析。」
Pampel補充道：「此外，我們建立了一個碰撞模型，使我們能夠更好地理解許多超精細依賴的分子狀態如何導致碰撞速率和能量釋放量。這個模型也可以擴充套件到銣原子之外，幫助預測其他原子元素在類似情況下的行為。」
除了揭示一個長期存在的謎題，這些發現還可能影響各種涉及捕獲中性原子的研究，如量子計算、計量學和多體物理學，其中控制原子碰撞對於成功至關重要。基於超精細結構預測原子碰撞行為的能力，將有助於推進雷射冷卻技術、分子量子科學以及下一代量子技術的發展。
參考文獻：Quantifying Light-Assisted Collisions in Optical Tweezers across the Hyperfine Spectrum by Steven K. Pampel, Matteo Marinelli, Mark O. Brown, José P. D'Incao and Cindy A. Regal, 10 January 2025, Physical Review Letters. DOI: 10.1103/PhysRevLett.134.013202
這項研究得到了美國海軍研究辦公室、國家科學基金會、能源部、量子系統加速器和瑞士國家科學基金會的支援。
