费米原子组成的分子bec

费米原子组成的分子bec

3测试结果和讨论收集来自费米原子的分子碳是冷态气体研究的里程碑。除了其自身的意义外，它也是一个用于研究和储存超级液体的桥梁。要得到分子BEC,先要得到长寿命的分子.在2003年,JILA(JointInstituteofLaboratoryAstrophysics)的D.Jin研究组将40K气体的50%以上转变为分子40K2.采用两种内部状态为|f=9/2,mf=-5/2〉和|f=9/2,mf=-9/2〉原子的等量混合,(此处f和mf分别是超精细自旋及其分量)在T=150nK从Feshbach共振的a<0一侧减小磁场到a>0一侧.分子产生的探测方法使用射频分子离解谱,可以得到分子的波函数和结合能,与理论结果完全一致.实验结果示于图6.在磁场不同条件下用Stern-Gerlach方法分开不同自旋态,再作激光吸收造影.图的左方是在磁场扫掠前,显示mf=-5/2、-9/2两种成分.在将磁场绝热调到a>0区后(图6中间)看到两种成分损失过半.(分子是造影激光看不到的.)用射频离解得到两个原子位于mf=-7/2、-9/2态.图右方显示mf=-7/2成分和较强的mf=-9/2成分.一部分mf=-9/2成分是中间图原有的,另一部分是分子离解所释出的.重要的一点是,分子和原子在磁场调节过程中的相互转变是可逆的.此外Innsbruck的R.Grimm研究组,法国高等师范的C.Salomon研究组,美国RiceUniversity的R.Hulet研究组都得到了费米原子组成的分子.这些分子的一个特点是寿命较长,可达秒的量级.玻色原子形成的分子寿命则较短,只有若干毫秒量级.原因是费米原子形成的分子中两个价电子自旋是反平行的.离解的主要机制是三体碰撞.不论第三个原子的价电子自旋如何,总会和分子中两个价电子之一的自旋相同.根据Pauli不相容原理,自旋相同的两个电子相对轨道角动量不能为零.因此s波散射是不可能的,碰撞率受到了很大压制.这被称为Pauli阻塞(Pauliblocking).玻色原子形成的分子则不受此限制,三体碰撞离解率较高.寿命长的分子对形成玻色-爱因斯坦凝聚体是很有利的.分子BEC是在2003年冬季得到的.Innsbruck的R.Grimm研究组,JILA的D.Jin研究组和MIT的W.Ketterle研究组的成果受到普遍关注.原因是一方面可以用分子BEC作为基础,经过绝热改变磁场达到Feshbach共振的a<0一侧,试图获得费米原子对的凝聚体(超流体),另一方面是形成BEC的分子具有可以调节的丰富内部结构.三个研究组的方案各有特点.下面介绍的是D.Jin研究组直接用造影观测的实验.采用40K气体的两个不同超精细结构态|f=9/2,mf=-7/2〉|和|f=9/2,mf=-9/2〉的混合,它们的Feshbach共振位于B0=202.10G.在10ms时间内缓慢地将磁场从278G调到201.54G.然后将束缚光阱撤去,令气体自由膨胀20ms后再用激光沿轴方向对分子作飞行时间吸收造影,得到分子的空间分布.由于气体是自由膨胀,空间分布直接反映动量分布.图7表明,如果从T=1.54TC开始调低磁场(左图上),动量分布显示不出BEC的存在.左图下给出动量分布的剖面.右图是从T=0.49TC开始,动量分布明显显示BEC形成,剖面显示在Gauss分布的本底上叠加BEC的动量峰.实验表明最多有88%的原子可以转变为分子.4金属蛋白和金属质量关于cre-9e获得费米原子对超流体的竞争在2004年初有了报道.取得结果的仍是Jin,Grimm和Ketterle研究组.由于费米原子对在Feshbach共振a<0区形成原子对依靠集体效应,不能在撤阱和气体膨胀后观测.Grimm组用的是“光学现场造影”(Opticalin-situimaging),这样只能观测到气体的空间分布,它并不能转换为动量分布.关于凝聚体的存在只能靠和理论比较间接推断.Jin研究组创造了一种“对投影技术”,将费米原子对转变为分子.测量分子的动量分布就能推断原子对的动量分布.现将他们的结果简述如下.40K气体的两个最低超精细结构态|f=9/2,mf=-7/2〉和|f=9/2,mf=-9/2〉在202.1G发生Feshbach共振,共振宽度为7.8G.研究组在共振两侧都观测到费米原子凝聚,相当于BCS-BEC跨越.先将磁场固定在a<0接近共振处.将磁场扫掠到a>0.这个“投影磁场”扫掠的速度必须快慢得当:要慢得使分子可以形成,又要快得不致使粒子在阱中碰撞并跑得太远.投影可以使60%到80%原子组成分子.变更初始温度,发现有一个T/TF与磁场失谐(B-B0)值关系的阈值曲线,在曲线之下能观察到动量在0附近的分子.作者将此诠释为反映费米原子对凝聚体的存在.在a<0一侧二体Feshbach共振不能支持分子状态,因此凝聚体只能是由多体效应给出的费米原子对.实验结果示于图8.初始温度是T/TF=0.08,TF=0.35μK.磁场随时间变化示于插图内.开始是在a<0区.降到虚线处是Feshbach共振.在共振上下(上下箭头)停留不同时间.主图黑点为停留2ms,三角为停留30ms.然后将光阱撤掉,将磁场扫掠约10G到a>0区以便原子对变为分子.图8给出在不同初始磁场值时最终得到的凝聚粒子数.不同停留时间的结果显示对凝聚体在共振附近以及在BCS一侧的寿命比在BEC一侧的长的多.气体云自由膨胀后进行造影,得到图9.三个图分别对应在BCS一侧的ΔB=0.12G,0.25G,0.55G.起始温度T/TF=0.07.分析结果得到N0/N值为0.10,0.05,0.01.显示在BCS一侧接近共振处费米原子对较多,远离共振处原子相互作用太弱,以致临界温度太低,观测到的对数量极少.MIT的W.Ketterle研究组也用了投影技术,采用6Li,得到的凝聚体比例高达80%.由于在BCS一侧的费米原子对结构比较松散(见图6下方示意图),在磁场通过共振向BEC一侧扫掠时究竟是哪一对原子结合成分子?如果就近选择,会有不少对的总动量不为零,即多数对不能凝聚.如果测出80%动量为零的凝聚体,只能判断在BCS一侧也有束缚态的分子存在.作者的解释是,虽然束缚态在ΔB>0(即在BCS一侧)比散射态能量高,以二体作用判断是不会稳定的.但因在BCS一侧有自由费米原子布居在较低的动量状态上,因此分子离解在动量空间上受到抑制.只有在能量差较大时才能离解.这些亚稳态的分子在磁场向BEC一侧扫掠时就以稳定分子出现.一时间在实验研究能否确立对超流体的存在问题上有着怀疑.Innsbruck的R.Grimm研究组采用了不同的实验途径:用射频谱学方法测定费米原子对的能隙.用6Li的三个超精细结构态|1〉,|2〉和|3〉(基本上相当于核自旋的mI=1,0,-1).取含有|1〉和|2〉两种状态等量混合的气体.如果|1〉和|2〉之间没有配对,射频辐射场的频率等于|2〉→|3〉跃迁频率时被共振吸收.如果存在配对,就会出现另一个吸收频率,相当于将配对|1〉,|2〉离解.实验表明,在温度降低到一定值时果然出现了这个新的频率.对|1〉,|2〉两种态的原子,B=720G在BEC区,相当于a=120nm.B=822G,837G相当于共振的下限和上限,B=875G在BCS区,相当于a=-600nm.图10给出不同温度下在共振两侧的射频谱.由于在磁场扫掠时温度会有变化,确定T′为气体在BEC极限下的温度.磁场扫掠到BCS区时温度当会更低.图中第一行是在温度T′=6TF,(TF=15μK)下取的.看出在磁场不同时都只有相当|2〉→|3〉跃迁的吸收频率.将此频率定为横坐标原点.中行相当T′=0.5TF,(TF=3.4μK).在BEC区看到了相当分子结合能的峰,在共振区以及BCS一侧都有另一个吸收峰,可以认为是费米原子对的能隙.最下一行相当T′<0.2TF,(TF=1.2μK).自由原子|1〉,|2〉态都不存在了,只有相当分子和费米原子对的结合能和能隙的吸收峰.注意在BEC区横坐标尺度与其他磁场值时不同:分子结合能比原子对的能隙要大得多.射频谱线型有芬兰Torma研究组的工作支持.试验工作与已知理论结果符合很好.到此,已有更多物理学家相信费米原子对超流体存在.何天伦的评述便是这种观点的总结.他还在文献和中从理论上对文献和两项研究给予强有力的支持.认为这就是在强相互作用区费米原子对存在的标志.他还证明了文献和都在共振区满足普适性的理论判据.下面给出文献中有关原子对在动量空间的波函数(即凝聚体序参量)