法國(guó)的科學(xué)家首次對(duì)兩個(gè)原子之間的范德華力進(jìn)行了直接的測(cè)量,所用實(shí)驗(yàn)方法可以用來(lái)建立量子邏輯門,或者用來(lái)進(jìn)行凝聚態(tài)系統(tǒng)的量子模擬。
原子偶極:科學(xué)家首次直接測(cè)量原子間的范德華力
(圖片來(lái)源:iStockphoto/Nicemonkey)
原子間、分子間和物體表面間的范德華力以各種不同方式出現(xiàn)在日常生活中。例如,蜘蛛和壁虎就是依靠范德華力才能沿著平滑的墻壁向上爬,我們體內(nèi)的蛋白質(zhì)也是因?yàn)榉兜氯A力的存在才會(huì)折疊成復(fù)雜的形狀。
范德華力是以荷蘭科學(xué)家約翰內(nèi)斯?迪德里克?范德華的名字命名的,他在1873年第一次提出了范德華力這個(gè)概念用以解釋氣體的行為。這種力非常微弱,只有當(dāng)原子或者分子十分靠近的時(shí)候才有意義。原子電子云的漲落使得原子具有瞬時(shí)電偶極矩,從而誘導(dǎo)附近的原子產(chǎn)生電偶極矩,結(jié)果會(huì)產(chǎn)生相互吸引的偶極間相互作用。
間接測(cè)量
對(duì)原子間范德華力的間接測(cè)量已有非常多的研究成果,例如分析宏觀物體間的凈力來(lái)獲得經(jīng)驗(yàn)值,或者利用光譜學(xué)來(lái)分析雙原子分子中兩個(gè)原子間的長(zhǎng)程作用力。但在這之前一直缺乏直接測(cè)量范德華力的相關(guān)研究。
這項(xiàng)最新的研究是由帕萊佐的查爾斯?法布里實(shí)驗(yàn)室(Laboratoire Charles Fabry, LCF)和里爾大學(xué)(University of Lille)的研究人員共同完成的。“我們所做的是,直接測(cè)量?jī)蓚€(gè)位于可控距離內(nèi)的獨(dú)立原子間的范德華力,原子間的距離由實(shí)驗(yàn)人員設(shè)定。據(jù)我們所知這是首次實(shí)現(xiàn)直接測(cè)量,”LCF團(tuán)隊(duì)成員蒂埃里?拉哈耶(Thierry Lahaye)說(shuō)。
在測(cè)量原子間作用力時(shí),控制兩個(gè)普通原子之間的距離是極其困難的,因?yàn)橄嚓P(guān)的距離非常小。研究團(tuán)隊(duì)利用里德伯原子來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題,它們比普通原子大很多。里德伯原子中有一個(gè)電子處于高激發(fā)態(tài),這意味著它們有一個(gè)很大的瞬時(shí)電偶極矩,因此即使處于相對(duì)較遠(yuǎn)的距離,也會(huì)存在較大的范德華力。它們同時(shí)還有某些獨(dú)特的性質(zhì),使得它們?cè)趯?shí)驗(yàn)室中可以被精確控制。
原子對(duì)
實(shí)驗(yàn)首先利用兩束高度聚焦的激光束分別捕獲兩個(gè)銣原子,并將原子分隔開(kāi)幾微米的距離。然后將一束特定波長(zhǎng)的激光束照射在原子上,使得體系在基態(tài)和一個(gè)或兩個(gè)里德伯原子之間振蕩。研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn),當(dāng)條件合適時(shí),體系將在基態(tài)和一對(duì)里德伯原子之間振蕩,此時(shí)兩個(gè)原子分別在兩束激光的焦點(diǎn)上。通過(guò)測(cè)量這些振蕩,研究人員計(jì)算出了兩個(gè)里德伯原子之間的范德華力。
研究人員通過(guò)調(diào)整捕獲激光束,可以將里德伯原子靠近或拉遠(yuǎn)。當(dāng)研究人員改變?cè)又g的距離R時(shí),作用力表現(xiàn)出與R的6次方呈反比的變化規(guī)律——這一結(jié)果和預(yù)期的范德華力完全一樣。
除了測(cè)量范德華力,研究團(tuán)隊(duì)還發(fā)現(xiàn)兩個(gè)相互作用的里德伯原子的量子態(tài)演化是完全相干的。LFC團(tuán)隊(duì)成員安托萬(wàn)?布拉維斯(Antoine Browaeys)稱,這是“在原子物理中從未見(jiàn)到過(guò)的”。
與量子邏輯相似
兩個(gè)相互作用原子的相干演化和工作于兩個(gè)量子比特上的量子邏輯門是完全一樣的。布拉維斯認(rèn)為,這說(shuō)明通過(guò)范德華力進(jìn)行相互作用的兩個(gè)原子是創(chuàng)建高保真量子門的理想系統(tǒng),“這一結(jié)果讓我們向量子計(jì)算機(jī)又進(jìn)了一步?!彼f(shuō)。
事實(shí)上,研究人員認(rèn)為他們實(shí)驗(yàn)的長(zhǎng)遠(yuǎn)意義并不在于測(cè)量范德華力本身,而是實(shí)現(xiàn)了對(duì)里德伯原子的精確控制。 “這使得我們能夠設(shè)計(jì)小的量子系統(tǒng),并逐漸增加量子系統(tǒng)的尺寸,有希望從兩個(gè)里德伯原子逐漸增加到幾十個(gè),而我們可以完全控制原子間的相互作用?!崩忉尩馈?/div>
這樣的量子系統(tǒng)有望應(yīng)用于量子信息處理或者凝聚態(tài)體系的量子模擬(例如量子磁體)等工作中。
并未參與此次研究的馬里蘭大學(xué)聯(lián)合量子研究所的史蒂文?羅爾斯頓(Steven Rolston)將這一成果稱作是重要的里程碑,他認(rèn)為這將有助于量子信息設(shè)備的研發(fā)與制造,因?yàn)樗C明了原子量子比特間的范德華力表現(xiàn)得與預(yù)期相同。
本研究發(fā)表于《物理評(píng)論快報(bào)》(Physical Review Letters)。
本文作者 卡蒂亞?摩斯科維奇是一位英國(guó)科學(xué)作家。
(翻譯:沈添懌)
原文地址:http://physicsworld.com/cws/article/news/2013/jul/04/atomic-van-der-waals-force-measured-for-the-first-time