近日，中國(guó)科學(xué)院武漢物理與數(shù)學(xué)研究所詹明生研究員領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)激光操控一個(gè)銣-87原子和一個(gè)銣-85原子，在微米尺度的光阱中實(shí)現(xiàn)了兩個(gè)異核原子的受控冷碰撞。相關(guān)研究工作于7月22日在線發(fā)表在《自然·通訊》雜志上。

原子之間的碰撞是原子氣體中普遍存在的相互作用，即使在通過(guò)激光冷卻與囚禁得到的冷原子團(tuán)中，碰撞問(wèn)題仍備受關(guān)注。無(wú)論是制備超冷量子氣體的蒸發(fā)冷卻過(guò)程、冷原子形成分子的超冷化學(xué)過(guò)程，還是基于碰撞的量子信息與量子模擬中量子態(tài)的相干制備和消相干過(guò)程，都離不開(kāi)對(duì)原子之間的彈性、非彈性碰撞甚至是反應(yīng)性碰撞的認(rèn)識(shí)。然而，在通常的一個(gè)含有成千上萬(wàn)個(gè)原子的多組分冷原子團(tuán)中，原子數(shù)目的不確定性和同組分原子之間的碰撞等因素導(dǎo)致了碰撞截面測(cè)量的不準(zhǔn)確。

研究組許鵬和何曉東等人利用遠(yuǎn)失諧激光聚焦在真空中形成一個(gè)直徑幾個(gè)微米的光阱，該單原子光阱一般情況下要么囚禁一個(gè)原子要么沒(méi)有原子。他們創(chuàng)造性地發(fā)展了一種反饋控制方法，在同一個(gè)光阱中確定性地囚禁了一個(gè)銣-87原子和一個(gè)異核的銣-85原子，然后用不同的激光分別將這兩個(gè)原子制備到各自特定的內(nèi)態(tài)能級(jí)，等待幾毫秒甚至將近一秒鐘之后，再觀測(cè)這兩個(gè)原子是否還在阱中。由于光阱中始終只有一個(gè)銣-87原子和一個(gè)銣-85原子，且沒(méi)有共振光的干擾，任何碰撞相互作用都發(fā)生在這兩個(gè)異核原子之間，從而能精確而純凈地提取異核冷原子在不同超精細(xì)能級(jí)下的碰撞損失速率。該實(shí)驗(yàn)結(jié)果與法國(guó)國(guó)家科學(xué)研究院的G.V.Shlyapnikov教授、意大利特蘭托大學(xué)的D.J.Papoular博士采用耦合通道理論計(jì)算的結(jié)果相吻合。

兩個(gè)異核的原子在光阱中碰撞損失的示意圖

該實(shí)驗(yàn)獲得了銣-85和銣-87原子基態(tài)碰撞損失速率目前最為精確的數(shù)據(jù)。且發(fā)展的“超級(jí)純凈”的碰撞反應(yīng)平臺(tái)可應(yīng)用于單原子與單分子的碰撞，也可用于研究異核原子的相干碰撞，在粒子數(shù)目確定的化學(xué)反應(yīng)的研究以及基于原子的量子信息處理和量子模擬研究方面有重要價(jià)值。

該研究得到了科技部國(guó)家重大科學(xué)研究計(jì)劃“囚禁單原子（離子）與光耦合體系量子態(tài)的操控”和國(guó)家自然科學(xué)基金委的資助。