并达成直接观测,法地教育学家第二次直接衡量

据物理学家组织网报道,法国国家科学研究中心的研究人员在最新一期《物理评论快报》上撰文指出,他们首次直接对两个原子间的范德华力进行了测量,另外,测量中使用的技术也可用于制造在量子计算机中非常有用的量子逻辑门。 范德华力是中性原子之间通过瞬间静电相互作用产生的弱作用力,以其发现者荷兰物理学家约翰尼斯·迪德里克·范·德·瓦耳斯的名字命名。很多物质的“一举一动”都与这种力有关:正是这种力让大多数气体分子簇拥在一起;也是这种力让壁虎的脚趾头紧紧贴在光滑的墙壁上。但是,只有当原子紧紧“依偎”在一起时,这种弱作用力才明显,所以,科学家们迄今没有直接测量到这种作用力。 现在,法国科学家使用两束激光让一对原子紧紧“依偎”在一起,并用第三束激光测量了它们之间的范德华力。 在最新实验中,科学家们选择里德伯原子——一个价电子被激发到高量子态的高激发原子作为他们实验的一部分。里德伯原子很大,而且,其中的一个电子处于高带电状态;另外,这种原子之间的力比很多其他原子对之间的力都要强,也正因如此,可以在更远的距离内测量这种力,这就使得里德伯原子成为测量范德华力的理想选择。 研究人员首先朝一对里德伯原子发射两束激光,使它们紧贴在一起,随后,朝这两个原子发射第三束激光使其以特定的频率振荡,通过测量这一振荡,他们可以利用数学方法计算出这两个原子间的范德华力。 而且,科学家们通过测量基态和激发态之间的振荡发现:两个原子之间的距离对于测量范德华力非常重要。如果距离太近,其中一个原子的激发态会打垮另一个原子的激发态;如果距离太远,两个原子之间的作用力会变得太弱而无法测量。因此,科学家们使用第三束激光作为光学镊子,将两个原子之间的距离调整至最适合测量的距离。 该研究团队也强调称,用来测量范德华力的技术也能使正在振荡的原子演变到一种完全相干的状态,这意味着这一技术有望被用来制造在量子计算机内非常有用的量子逻辑门。 总编辑圈点 “近之则不逊,远之则有怨”,这句话放在范德华力身上再合适不过。当人们苦苦算计人际交往的亲疏之时,范德华力告诉了大家,原来万物之间都有着这样一个平衡点。其实,除开壁虎,生活中也不难找到范德华力的身影——手机保护膜之所以能和屏幕亲密无间,就正是它的功劳。新技术实现了直接测量,接下来要做的,是更好地理解它的机制,以及利用它存在于分子之间、不受外界环境影响的特性,创造出一些新奇的玩意儿,比如《碟中谍4》里不太靠谱的“爬墙手套”。

马克斯普朗克量子光学研究所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。

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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。

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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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