近日，中國科學院武漢物理與數學研究所詹明生研究員領導的研究團隊通過激光操控一個銣-87原子和一個銣-85原子，在微米尺度的光阱中實現了兩個異核原子的受控冷碰撞。相關研究工作于7月22日在線發表在《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，即使在通過激光冷卻與囚禁得到的冷原子團中，碰撞問題仍備受關注。無論是制備超冷量子氣體的蒸發冷卻過程、冷原子形成分子的超冷化學過程，還是基于碰撞的量子信息與量子模擬中量子態的相干制備和消相干過程，都離不開對原子之間的彈性、非彈性碰撞甚至是反應性碰撞的認識。然而，在通常的一個含有成千上萬個原子的多組分冷原子團中，原子數目的不確定性和同組分原子之間的碰撞等因素導致了碰撞截面測量的不準確。
研究組許鵬和何曉東等人利用遠失諧激光聚焦在真空中形成一個直徑幾個微米的光阱，該單原子光阱一般情況下要么囚禁一個原子要么沒有原子。他們創造性地發展了一種反饋控制方法，在同一個光阱中確定性地囚禁了一個銣-87原子和一個異核的銣-85原子，然后用不同的激光分別將這兩個原子制備到各自特定的內態能級，等待幾毫秒甚至將近一秒鐘之后，再觀測這兩個原子是否還在阱中。由于光阱中始終只有一個銣-87原子和一個銣-85原子，且沒有共振光的干擾，任何碰撞相互作用都發生在這兩個異核原子之間，從而能精確而純凈地提取異核冷原子在不同超精細能級下的碰撞損失速率。該實驗結果與法國國家科學研究院的G.V.Shlyapnikov教授、意大利特蘭托大學的D.J.Papoular博士采用耦合通道理論計算的結果相吻合。
兩個異核的原子在光阱中碰撞損失的示意圖
該實驗獲得了銣-85和銣-87原子基態碰撞損失速率目前最為精確的數據。且發展的“超級純凈”的碰撞反應平臺可應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，在粒子數目確定的化學反應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值。
該研究得到了科技部國家重大科學研究計劃“囚禁單原子（離子）與光耦合體系量子態的操控”和國家自然科學基金委的資助。
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