马克斯-普朗克量子光学研究所研究人员首次研制了一种钠钾分子的简并费米气体。该团队将钠原子的玻色-爱因斯坦凝聚（BEC）和钾原子的费米气体的密度相匹配，使得原子碰撞的损耗大大降低，突破了一直以来创建分子简并费米气体的主要瓶颈。这项工作是生成稳定的大型极性分子量子气体的重要一步，并为更好地理解强相互作用的玻色-费米原子混合物铺平了道路。该成果于2月13日发表在《自然·物理学》杂志上。
大约三十年前，物理学家首次成功制造了一种原子的量子简并气体，也就是所谓的BEC。从那时起，研究人员一直在努力将基态分子冷却到一定程度，使其表现出量子简并的特性。这些基态分子具有较大的偶极矩和许多内部自由度，这使它们非常适合用在量子模拟、量子计算，以及超低温下的化学过程等方面的研究中。此外，还可以用它们测量基本的物理对称性。然而，由于分子的复杂结构，难以直接的方式对其进行冷却。在实验上，不同类型的原子之间的损耗限制了通过所谓的Feshbach共振从超冷原子组装分子的效率。在理论上，近二十年来人们一直在讨论BEC和费米气体的混合物如何能有效地联系起来并形成分子。
马普所的研究人员开发了一项简单的技术，通过一个偶极阱将BEC的密度降低并与费米气体的密度匹配，该阱将钠原子约束得比钾原子更弱。该论文第一作者Marcel Duda博士说：“这使我们能够消除损失，并将80%的BEC关联成分子。”这些所谓的Feshbach分子的温度远低于费米温度，而在那里，量子效应开始占主导地位。Duda说：“现在我们可以常规地制造5万到7万个钠-钾Feshbach分子。”在最后一步，这些Feshbach分子将通过所谓的受激拉曼绝热通道技术被转换到它们的基态。在基态下它们则表现为一个大的永久偶极矩。接近100%的联合效率清楚地表明双重简并的玻色-费米混合物的组装不可能是一个双体过程。这些测量结果与一个预测从极化子相到分子相的量子相变的模型很一致。在这里，如果玻色子和费米子之间的吸引力很弱，那么这种混合物可以定性地理解为是费米极化子，即准粒子。其中，玻色子和它们周围的费米子之间的相互作用导致了一种围绕着玻色子的云。因此，BEC在预测的相互作用临界强度附近消失了。在该临界强度下，所有玻色子与费米子结合形成分子。结果，该系统变成了Feshbach分子的费米气体。该实验结果和模型之间的一致性为建立强相互作用、双重简并的玻色-费米混合物模型提供了一个重要的基准。
该工作有望使物理学家更接近于回答关于潜在的量子相变的许多未解答的问题。这些问题包括相变的顺序，以及滞后效应和相变过程中的动力学问题。由于在实验中团队利用一个原子依赖的偶极阱将不同密度的混合物囚禁，且考虑到相变的临界点取决于密度，该实验所测临界点附近的信号有所模糊。为了克服这一障碍，研究人员在想引入一种所谓的箱体势阱。“如果你在箱形阱中捕获数百万个原子的混合物，你将也可以创建一个由大约一百万个分子组成的更大的费米气体，”马普所量子多粒子系统部门主任Immanuel Bloch教授说，“这可以成为分子蒸发冷却到深度简并范畴的一个极好的初始条件，并将促进对强相互作用的双极量子气体的研究。”
论文链接：
https://www.nature.com/articles/s41567-023-01948-1
报道链接：
https://www.mpq.mpg.de/6816946/02-matchmaking-atoms-into-a-new-molecular-fermi-gas?c=2342
图1 在匹配密度的玻色子和费米子原子气体中，通过调节种间相互作用，费米子会从玻色-爱因斯坦凝聚物中高效地抽取玻色子形成关联分子。
图2 钠原子（上排）和Feshbach分子（下排）的吸收图像显示了从极化子凝聚态到分子费米气体的转变（从左到右）。随着凝聚的钠原子（黑色浓烈的斑点）逐渐减少，Feshbach分子（模糊的圆盘）会同时增长。