研究人员首次测量光和物质的结合状态

原子被光束偏振并开始相互吸引。图片来源：Harald Ritsch / TU Wien

原子之间的特殊键合状态首次在实验室中产生：使用激光束，原子可以被偏振，使它们在一侧带正电荷，在另一侧带负电。这使得它们相互吸引，产生一种非常特殊的键态-比普通分子中两个原子之间的键弱得多，但仍然可测量。这种吸引力来自偏振原子本身，但正是激光束赋予它们这样做的能力——从某种意义上说，它是光和物质的“分子”。

从理论上讲，这种效应已经被预测了很长时间，但现在维也纳量子科学与技术中心（VCQ）的科学家与因斯布鲁克大学合作，首次成功地测量了这种奇异的原子键。这种相互作用对于操纵极冷的原子是有用的，这种效应也可能在空间中分子的形成中发挥作用。研究结果现已发表在科学期刊《物理评论X》上。

正负电荷

在电中性原子中，带正电的原子核被带负电的电子包围，这些电子像云一样包围原子核。“如果你现在打开一个外部电场，这种电荷分布会稍微改变一点，”Philipp Haslinger教授解释说，他在TU Wien原子研究所的研究得到了FWF START计划的支持。“正电荷在一个方向上稍微移动，负电荷在另一个方向上稍微移动，原子突然有正负一面，它被极化了。

光只是一个变化非常快的电磁场，所以用激光也可以产生这种偏振效应。当几个原子彼此相邻时，激光以完全相同的方式使它们偏振 - 左边是正的，右边是负的，反之亦然。在这两种情况下，两个相邻的原子将不同的电荷相互转动，从而产生吸引力。

原子阱实验

“这是一种非常弱的吸引力，所以你必须非常仔细地进行实验才能测量它，”该出版物的第一作者TU Wien的Mira Maiwöger说。“如果原子有很多能量并且移动得很快，那么吸引力就会立即消失。这就是为什么使用超冷原子云的原因。

原子首先被捕获并在原子芯片上的磁阱中冷却，这是一种技术，由Jörg Schmiedmayer教授的Atominstitut开发。然后关闭陷阱并释放自由落体中的原子。原子云在不到百万分之一开尔文的地方是“超冷”的，但它有足够的能量在秋季膨胀。然而，如果原子在这个阶段被激光束偏振，从而在它们之间产生吸引力，那么原子云的这种膨胀就会减慢 - 这就是吸引力的测量方式。

量子实验室和空间

“用激光束偏振单个原子基本上并不是什么新鲜事，”为实验奠定理论基础的Matthias Sonnleitner说。“然而，关于我们实验的关键是，我们第一次成功地以受控的方式将几个原子极化在一起，在它们之间产生可测量的吸引力。

这种吸引力是控制冷原子的补充工具。但它在天体物理学中也很重要：“在浩瀚的太空中，小力量可以发挥重要作用，”菲利普·哈斯林格说。在这里，我们首次能够证明电磁辐射可以在原子之间产生力，这可能有助于为尚未解释的天体物理场景提供新的线索。

更多信息：Mira Maiwöger等人，超冷原子气体中光诱导偶极子 - 偶极子力的观察，物理评论X（2022）。DOI： 10.1103/PhysRevX.12.031018

期刊信息：物理评论X