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雷射冷卻至量子簡併
挑戰
自 1995 年以來,每一個玻色-愛因斯坦凝聚體(BEC)都是用同樣的方式製造的:抓住一團原子雲、冷卻、蒸發、拍照——然後丟掉重來。 量子簡併一直是一種脈衝式現象。但雷射是在實現連續波運轉之後才真正改變世界;物質波正等待同樣的飛躍。
障礙在於雷射冷卻通常停在遠高於量子簡併的溫度:光子散射、與密度相關的損耗,以及破壞性的最終蒸發步驟, 都在阻止一個持續補充原子的凝聚體存活。
原子彈珠台
解方是架構性的,由本實驗室兩位主持人在阿姆斯特丹 Florian Schreck 團隊攻讀博士時發展出來: 把 BEC 的時序在空間中攤開。原子像彈珠一樣流過一連串空間上分離的階段——爐源、減速、寬線冷卻、窄線冷卻、導引傳輸—— 每一段都連續、穩態地運轉。
在鍶 7.4 kHz 的互組合線上,這條鏈達到了接近相空間密度 1 的穩態——只靠雷射冷卻,不需蒸發—— 詳見 An atomic marble run to unity phase-space density 與 1000 times closer to a continuous atom laser。
2022 年,這個架構產生了世界第一個 連續玻色-愛因斯坦凝聚體—— 一個在新原子源源注入下永續存活的凝聚體 [Nature 606, 683 (2022)]。
現在,換鐿上場
在台北,我們把這套連續架構帶到鐿原子上。鐿擁有同樣的雙價電子工具箱——399 nm 寬線用於快速捕捉、556 nm 窄互組合線用於低溫高密度樣品——外加 mHz 鐘躍遷、豐富的同位素(五種玻色子、兩種費米子)與亞穩態量子位元。