原子能级（原子光谱项）

论文作者、芝加哥大学教授郑锦说，“实验最困难的部分是确保分子玻色-爱因斯坦凝聚体的稳定性。如果它们消散得太快，我们就无法验证它们是否形成了这种状态。”分子之间的非弹性碰撞会迅速加热它们，使它们逃离势阱，并阻止它们进入玻色-爱因斯坦凝聚体。低温和合适的势阱形状是分子玻色-爱因斯坦凝聚体稳定存在的关键因素。

为了实现极冷的实验环境，研究小组分三个阶段冷却铯原子。第一阶段是激光冷却，将铯原子置于磁光阱中，用三对特定频率的激光束照射它们，这三对激光束相互垂直。当其运动方向与激光方向相反时，铯原子会吸收光子，同时获得原光子的动量。但由于运动方向相反，铯原子的动量会降低，即被冷却。在这个过程中，铯原子能被冷却到几微开尔文。

第二阶段需要拉曼边带冷却，即铯原子被束缚到光晶格中，每个格点可以近似看作谐振子势阱。在谐振势阱中，原子一般不处于振动能级的基态。然而，由于外部磁场引起的塞曼效应，原子能级分裂成多个能级。调节磁场，使分裂能级间隔与原子的振动能级间隔相同，然后通过拉曼双光子过程改变原子的磁量子数和振动能级，使原子处于最低能量状态，从而使原子冷却到几百纳开尔文左右。

第三阶段需要蒸发冷却。原子被固定在势阱中，势阱深度不断减小，使得动能较高的原子可以自发逃离势阱。就像蒸发一样，逃逸的原子带走了一部分热量，剩余的原子通过弹性碰撞达到平衡后，整体温度比之前的状态进一步降低。最后，通过三个冷却步骤，研究人员获得了60，000个11开尔文的铯原子冷凝物。

此外，研究小组将这6万个11开尔文的铯原子固定在一个特定的势阱中。在这种势阱中，势阱在Z方向的高度远高于铯原子的动能，原子只能在垂直于Z轴的平面上运动，这种势阱称为二维势阱。而这个二维的底部形状，论文第一作者张振东说:“我们的实验与之前的相比最大的创新是势阱的形状。与简谐势阱相比，平底势阱更容易让分子稳定存在。”

在将60000个铯原子冷却到11开尔文并固定在二维平势阱中之后，铯原子已经进入了玻色-爱因斯坦凝聚态。接下来，研究人员通过控制磁场的变化，将铯原子变成铯分子。

当两个铯原子靠近时，它们的总势能发生变化。一般来说，铯原子不会自发变成铯分子，只是铯原子和铯分子的磁矩不同，它们的势能曲线受磁场的影响也不同。通过改变磁场，铯原子和铯分子的势能曲线会趋近，此时会发生Feshbach共振。6万个铯原子中的任意两个都有机会配对转化为铯分子，部分处于玻色-爱因斯坦凝聚态的铯原子在这一步转化为铯分子。

分子势能曲线(蓝线)相对于原子势能曲线(黑线)上下移动。当两者靠近时，会发生Feshbach共振，原子会变成分子。

并不是所有的铯原子都能转化为铯分子，研究人员需要将铯原子从铯分子中分离出来。正是由于铯原子和铯分子的磁矩不同，它们对磁场的响应也不同。研究人员向上施加梯度磁场，铯原子和铯分子可以分离。磁矩的不同也代表了能级的细微差别，对激光不同频率的响应也不同:特定的激光可以移动铯原子，但不能移动铯分子。结合磁场和激光，铯分子和铯原子就这样被分离了。因此，这也意味着研究人员实现了铯分子的玻色-爱因斯坦凝聚。

“有时你很难预测你将在实验中看到什么，但如果你用理论分析，你会发现它是合理的。”张振东说。几十年来，人们一直朝着分子玻色-爱因斯坦凝聚体的目标前进。无论谁最终能实现这个目标，都将站在巨人的肩膀上。2003年，一个团队已经发现了分子玻色-爱因斯坦凝聚体的迹象，但无法使其稳定存在。今天稳定的玻色-爱因斯坦凝聚体要实用得多。

郑锦教授从20世纪90年代开始，当他还是研究生的时候，就一直在努力实现这个目标。他说，“几十年来，人们一直在努力实现这个目标，我们非常激动。希望这能开辟多体量子化学的新领域。有证据表明，还有许多未知等待我们去发现。”

分子玻色-爱因斯坦凝聚比原子玻色-爱因斯坦凝聚更难产生的原因之一是它的振转能级结构更丰富。然而，正是由于这种复杂的结构，使得分子比原子的玻色-爱因斯坦凝聚体具有更广阔的应用前景。对于量子工程来说，分子玻色-爱因斯坦凝聚体就像一张白纸，等待着人们在上面大展宏图。郑锦教授说:“例如，在量子化学、量子信息和精确测量中，这种更复杂的结构可以使原子中原本不可能的应用成为可能。”

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