摘要

JILA（Joint Institute for Laboratory Astrophysics，美国天体物理学联合实验研究所）的研究人员通过调整原子的密集量子气体来制造一个密集的“费米海”，使原子保持高能量状态，从而通过延缓原子正常返回到最低能量状态，使原子在高能状态或激发状态下的时间比平常长约10%。 这项技术可能被用于改进量子通信网络和原子钟。

正文

在静止状态上被激发的量子系统（例如原子），通过释放量子化部分的光而自然地平息或衰弱下来，称为光量子。 这一常见的过程在萤火虫和LED发光时较为明显， 通过改变环境或原子的内部性质来调节其衰变率。 已有研究修改了电磁环境，而此次研究工作的重点是原子。

JILA的新方法依赖于量子世界的“泡利不相容”原理，即相同的费米子（在一组由全同粒子组成的体系中，如果在体系的一个量子态——即由一套量子数所确定的微观状态——上只容许容纳一个粒子，这种粒子称为费米子）不能在同一时间拥有相同的量子态， 因此，当足够多的费米子聚集在一起形成费米海，单个被激发的费米子可能无法像往常一样抛出一个光子，因为它需要反冲作用，这种反冲作用使得它和相邻原子处于相同的量子运动状态，而基于泡利阻塞机制，该作用无法实现。

《科学》杂志于2021年11月19日发表了这一研究成果。JILA由美国国家标准与技术研究院（NIST）和科罗拉多大学波尔得分校联合运营。

NIST/JILA研究员Jun Ye说：“泡利阻塞利用费米海组织良好的量子运动状态来阻挡想要衰变的原子进行反冲作用，从而阻止自发衰变。这种控制物质属性的强烈量子效应，过去被认为是不可改变的物理性质。”

通过将一个原子嵌入费米海来改变其激发态寿命的想法以前就已提出过，但真正做到这一点，JILA小组是第一个（包括同一期《科学》杂志上发表的其他工作）， 这是第一次将原子的内部辐射特性与它们的外部运动联系起来。

JILA团队用由数千个锶原子组成的低能量或衰变的费米气体进行实验，并利用这些量子气体制造了最新的原子钟。 在这些低温费米气体中，所有原子的属性都被量子化或限制在特定值，原子之间通过保持最小的距离来相互避开。 相比之下，普通气体中的原子是随机分布的，它们不会相互影响。

图片作者: C. Sanner/JILA

在JILA的实验中，蓝光穿过透镜和其他光学元件，在锶原子的超冷气体中进行光散射。

研究人员利用蓝光激发费米海中的原子，沿不同方向测量产生的光子辐射。 通过设置特定条件，该团队将沿窄散射角的光子发射减少了50%。 在这种情况下，在激发态下制备的原子在这种状态下保持的时间比平常多10%。自然激发寿命 5 ns因太短而无法测量，所以研究人员使用光子散射作为间接指标。Jun Ye说：“ 未来的实验使用不同能级的原子或密度更大甚至更冷的气体，可以进一步延长激发态的时间，甚至完全阻止衰变”。

实验的关键特征包括产生一种能量最低的气体，使纯量子力学阻塞现象得以发生。 此外，当费米海足够大，以至于中间的原子无法逃脱， 表面的原子则不容易被阻挡。

最后，研究人员只激发了少量的原子，并在相对于蓝色激发光束更狭窄的角度收集了发射的光子。 这种配置适用于观察小的移动传输， 大的角度会给原子太多的动量，增加它们逃脱的机会，削弱阻挡效应。

JILA技术为量子工程原子光系统提供了新的方法，具有潜在的应用前景，如在量子通信网络中保护光量子位，通过延长原子“兴奋”时间来保持精确的“滴答声”，提高原子钟的稳定性。

来源：NIST

翻译：中国测试新闻中心

校稿：中国测试编辑部