Nature子刊量子物理世界中原子能量传输的解码机制

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　　Nature子刊：量子物理世界中原子能量传输的解码机制。
　　原子和分子之间的能量传输是一切生命的基础。这种输运是基于被称为偶极-偶极相互作用的原子间力。Herwig Ott教授的研究小组在Technische Universität Kaiserslautern (TUK)已经成功地在无序系统中复制了这种传输机制。为此，研究人员通过实验观察了不同里德堡原子之间的量子力学相互作用。这使他们能够理解无序对原子间激发能的分布和迁移率的影响。科学杂志《Nature Communications》发表了这一结果。
　　在这个实验中使用的铷原子的超低温原子云:你可以看到激光冷却过程中发生的荧光。来源：AG Ott/TUK
　　原子和分子之间的能量传输可以用光合作用来说明，例如:当光到达一个细胞时，它的能量首先被一个分子吸收，然后在许多其他无序分子之间传输。一旦这个能量包最终到达所谓的反应中心，它就会以化学转化的形式永久地储存起来。
　　Localization-delocalization交叉
　　为了更好地理解这种传输机制，研究团队选择了一种特殊的实验方法，并进入了量子机制:＂在这个过程中，我们克服了几个技术挑战，＂该研究的主要作者Carsten Lippe解释说。＂只要观察必要的框架条件，这一点就变得清晰起来:在比国际空间站周围的空间低1000倍的环境压力下，在接近绝对零度的温度下，一些原子被激光激发，并进入所谓的里德伯格状态。当一个电子处于这种状态时，它被放置在遥远的原子核轨道上，这个原子比正常状态下大1万倍。＂
　　Herwig Ott教授(左)和Philipp Geppert已经为此目的开发了一种定制的显微镜，他们能够直接测量原子的动量。来源：Koziel/TUK
　　这种巨大的尺寸使得处于里德堡状态的原子对其他这样的原子非常敏感，因此可以通过实验研究原子之间的相互作用，否则就会发生在更小的长度尺度上。
　　作为实验的一部分，研究人员现在已经使用不同的激光系统按顺序创造了两种不同类型的里德堡原子，并研究了它们之间的能量传输。在这个过程中，他们发现量子物理效应与我们的日常想象相矛盾。＂你可以把这种传输过程想象成一个跳跃或箍圈的过程。能量或激发在分子之间来回跳跃。但在量子物理学中，由于所谓的叠加原理，情况有所不同:例如，激发可以同时跳到几个分子上，从而在系统中更有效地传输。这被称为相干传输，＂Ott说。
　　实验梗概。
　　研究人员在实验中证明了经典跳频和相干输运的比例可以以可控的方式进行调节。这是通过对激发激光器的波长进行微小的修改来实现的。＂量子物理效应通常是脆弱的，一旦出现扰动，比如当前系统中气体中原子无序所引起的扰动，量子物理效应就会消失，＂Thomas Niederprüm说，他和Ott一起领导了这个项目。＂研究中对这些影响的观察可以帮助我们更好地理解其他复杂的系统。里德堡原子之间的相互作用可以转移到当前研究的其他领域，例如光合作用过程中分子对光的吸收和传输。最近的研究表明，量子力学效应在光合作用中也发挥了重要作用，尽管存在无序，但能量传输仍发生了惊人的无损失。
　　这项研究工作是作为OSCAR(＂原子和光子物质的开放系统控制＂)合作研究中心的一部分进行的，杜克大学和波恩大学都是由德国研究基金会资助的。测量和模拟的结果以及对实验装置的描述已经发表在《 Nature Communications》杂志上。
　　相互作用光谱的标度行为。
　　来源：Experimental realization of a 3D random hopping model, NatureCommunications (2021). DOI: 10.1038/s41467-021-27243-2
　　江苏激光联盟陈长军原创作品！