超冷气体中原子光散射的首次实验性玻色子刺激

当光子散射时，光子后坐力通过q（红色箭头）改变原子的动量。a， 相变以上 （T > Tс），初始和最终动量状态都在热云中。b， 相变以下 （T < Tс），凝结水在零动量附近出现，凝结水和热云之间也可能发生散射。在任何一种情况下，如果最终状态被占用，光散射都会增强。图片来源：卢等

玻色子是粒子的两类基本类别之一，一直是无数物理学研究的焦点。当玻色子粒子跃迁到已经被占据的最终量子态时，这种跃迁的速率通过其所谓的“占领数”（一种称为玻色子刺激的效应）而增强。玻色子刺激在光散射过程中的出现最早是在三十多年前预测的，但迄今为止，在实验环境中直接观察它已被证明具有挑战性。

麻省理工学院-哈佛大学超冷原子中心的研究人员最近首次观察到超冷气体中的玻色子增强光散射。他们的发现发表在《自然物理学》上，可以为玻色子系统的研究开辟新的令人兴奋的可能性。

“对于玻色子来说，进入已经占据的量子态的跃迁率通过其占用数增强：玻色子刺激的影响，”进行这项研究的研究人员之一Yu-Kun Lu告诉 Phys.org。

“虽然以各种形式观察到玻色子刺激，但光散射的玻色子刺激在30多年前就被预测了，但事实证明，直接观察难以捉摸。简单来说，如果一个人在理想的玻色气体上发出扰动的光，并在接近量子简并时观察到散射光的增强，那将是玻色增强的'吸烟枪'证据。

为了进行实验，Lu和他的同事准备了一个超冷云23高密度的钠气体。然后，他们将光照射到它上面，并测量来自系统的散射光子的数量。

他们发现，在系统转变为玻色-爱因斯坦凝聚态（BEC）之前，光子的散射已经增强。然而，这种增强在相变点以下变得更大，这是理论预测在玻色子刺激存在下会发生的。

“我们观察到光散射的增强已经在BEC相变上方，并且在相变下方有更显着的增强，”Lu解释说。“通过将数据与理论预测进行比较，我们发现原子之间的相互作用也会影响光散射，特别是在相变下方。此外，我们表明，对于在单一内部状态下制备的多能级系统，玻色子增强仅发生在瑞利散射中，而不适用于拉曼散射。

Lu和他的同事最近的研究提供了超冷气体中原子光散射的玻色子刺激的第一个实验。该团队的观察清楚地表明了量子统计和相互作用如何改变玻色气体的光学特性。

“了解光散射过程中量子统计，相互作用和相变之间的相互作用不仅具有根本意义，而且对于使用光学方法对玻色子系统进行定量诊断也至关重要，”Lu补充道。“在我们未来的工作中，由于不存在密度不均匀性，研究箱形电位中光散射的玻色子增强将是有希望的。那样的话，增强效果会更大，对相互作用效果的研究也会更直接。

在接下来的研究中，研究人员还希望使用光散射来表征强相互作用的系统，包括具有强偶极相互作用的系统，这些系统是各向异性和长程的。这可以促进目前对这些强相互作用系统的理解，同时也提供重要的实验数据，有助于验证理论预测。

更多信息：超冷气体中原子光散射的玻色子刺激。自然物理学（2022）.DOI： 10.1038/s41567-022-01846-y.

期刊信息：《自然物理学》