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原创丨彤心未泯（学研汇 技术中心）
编辑丨风云
做科研，经常要坐十年冷板凳。
这绝不是戏言，
也不是一句空话。
2012 年，他们发展了一种可以保护玻色-爱因斯坦凝聚态（BEC）免受共振激光冷却光影响的技术，从而仅使用激光冷却即可创建BEC状态，朝着构建连续波原子激光器的目标迈出了关键的第一步。但是，需要进行专门的实验才能进一步开展研究。
2013 年，他们凭借执着的信念、借来的资金、一个空房间和一个完全由个人资助的团队开始了这项工作。
6年后，在 2019 年圣诞节的凌晨，实验终于开始工作了。他们在装置中引入激光束，降低原子温度，在拍摄的每张照片都发现了科学家梦寐以求的无限持续 BEC，令人震撼！
那一刻，
我不敢想象他们的喜悦。
玻色-爱因斯坦凝聚态
玻色–爱因斯坦凝聚（BEC）是玻色子原子在冷却到接近绝对零度所呈现出的一种气态的、超流性的物质状态。作为一种不可区分的原子集合，它们的行为就像一个单一的相干物质波。
BEC曾被认为在实验上无法实现。而激光冷却与捕获技术的迅速发展，使得实现BEC所要求的极低温条件得以满足。
1995年，麻省理工学院Wolfgang Ketterle与科罗拉多大学波尔得分校Eric A. Cornell和Carl E. Wieman使用气态的铷原子在170 nK（1.7×10−7 K）的低温下首次获得了玻色-爱因斯坦凝聚态。在这种状态下，几乎全部原子都聚集到能量最低的量子态，形成一个宏观的量子状态。
2年后，他们所使用的“激光冷却与原子捕获技术”的发明人，美国斯坦福大学朱棣文、法国巴黎的法兰西学院和高等师范学院Claude Cohen－Tannoudji、美国国家标准技术院William D.Phillips获得了1997年诺贝尔物理学奖。
6年后，由于在玻色-爱因斯坦凝聚态方面的贡献，麻省理工学院Wolfgang Ketterle与科罗拉多大学波尔得分校Eric A. Cornell和Carl E. Wieman获得2001年诺贝尔物理学奖。
连续，至关重要
玻色-爱因斯坦凝聚态的发现，直接促进了脉冲原子激光器的问世。在脉冲波光学激光器问世仅仅6个月之后，连续波光学激光器就得到了验证。连续操作的好处在于：
1）消除了死区时间，对传感器更有利；
2）可以提供比脉冲操作更高的带宽。
使用BEC的传感器受益于其高相空间密度和独特的相干特性。结合这些优势，从连续波凝聚态（CW BEC）输出耦合的CW原子激光束可能是许多量子传感应用的理想选择。从长远来看，CW原子激光器可以推动多个领域的发展，从暗物质和暗能量搜索、引力波探测、爱因斯坦等效原理测试到大地测量学探索。在短期内，CW BEC提供了一个研究量子原子光学和驱动耗散量子气体中出现的新量子现象的平台。
关键问题
想要实现BEC，共振光激光冷却必不可少。
然而BEC极其脆弱，会被共振光的辐射迅速摧毁。
正可谓是，成也共振光，败也共振光。
长期以来，BECs只能由一系列涉及激光冷却和蒸发冷却的步骤中得到短暂停留，没有办法无限期维持。
目前来看，无限维持BEC的关键在于实现相干物质波的连续放大，这需要满足两个关键条件:
1、持续供应密集的超冷原子气
2、产生放大的增益机制
新思路
有鉴于此，荷兰阿姆斯特丹大学Florian Schreck Ma等人通过持续产生密集的超冷原子气和放大增益机制，发展了一种相干物质波连续放大的技术，使玻色-爱因斯坦凝聚态(BEC)的奇异状态可以无限地保持下去。这一发现，彻底改变了量子科学和原子物理学。
技术方案：
1. 通过局部改变原子跃迁的频率，持续供应密集的超冷原子气。
发展了在空间上而不是时间上分离冷却态的方法，局部改变原子跃迁的频率，创建一个可以安全形成 BEC 的区域，保护 BEC 免受共振光的影响。
2. 通过原子碰撞，实现BEC增益。
“透明”光束使凹坑中的原子对有害的激光冷却光子透明。凹坑增加了气体密度，同时通过与储层的热接触将温度保持在较低水平。这增强了相空间密度，导致形成BEC。玻色激发的弹性碰撞不断地将原子分散到 BEC 模式中，提供无限期维持它所必需的增益。
3. 证明BEC的持续存在
观测BEC是极具破坏性的，作者通过在比系统寿命长得多的时间尺度上的许多独立观测来验证该状态的存在。通过原子云凝结前后的吸收图像证明BEC的存在，记录和分析不同thold的图像来研究凝聚物的形成瞬态和稳定性。BEC一旦建立，就可以无限期地保持在一个稳定的状态，连续的物质波放大抵消了主要由分子形成造成的原子损失。实验是具有全反射腔镜的 CW 光学激光器的物质波模拟进行的。该系统的理论模型表明，通过物质波放大，它每秒可以获得约24万个原子，这表明添加输出耦合器(一种将BEC原子从限制阱中提取出来的方法)可以产生强的连续波原子激光器。
技术先进性：
1. 首次证实了连续玻色-爱因斯坦凝聚态奇异态的无限维持
从被认为在实验上无法实现，到脉冲BEC的实现，再到连续BEC，证明了量子科学和原子物理学将不断涌现出新的可能，颠覆人们的认知，是原子、分子和光学物理学的一个真正的里程碑。
2. 连续原子激光器，更进一步
从原理验证上首次演示了一种全新的原子光学器件，从而能够构建连续的相干物质波器件，将有力推动连续原子激光器的发展。
技术细节
实验装置搭建
为了不断地给储存库补充能量，来自850k烘箱的原子流通过一系列空间分离的激光冷却阶段。初始阶段加载一个运行在7.5 khz 1S0-3P1跃迁上的稳态磁光阱(MOT)，如图1a所示。然后，μK原子的原子束被解耦并引导37毫米到储层。这种远距离传输阻止了在早期冷却阶段使用的激光冷却光对储存库中的原子加热。为了减缓大约10 cm-s−1的原子束，并将其加载到储层中，同时最小化共振光，在1S0-3P1|m1’=-1>过渡上实施了塞曼减速。这种较慢的方法使用单个反向传播的激光束以及沿导轨的0.23 G-cm-1 MOT 磁场梯度。11.5 μK深的储层由水平 1070 nm 激光束聚焦到一个椭圆光斑产生，该椭圆光斑垂直腰径 wy=14.5 μm，水平腰径wx = 110 μm。导向器和储存器之间的 6° 水平角允许减速的原子在到达交叉点后被轻推到储存器中。原子束和储集体由两对满足磁不敏感1S0|mj=0>3P1|mJ’=0>跃迁的束流径向冷却。陷阱和冷却梁的这种布置导致储层加载通量 ΦR = 1.4(2) × 106 atoms s-1，径向温度 TRr = 0.85(7) μK 和轴向温度TRz = 3.0(5) μK。
为了减少加热和损失，使用“透明”激光束使凹坑陷阱中的原子对近共振冷却光透明。该光束与凹坑重叠，其频率设置为33 GHz，蓝光从3P1-3S1 过渡失谐，以便在1S0-3P1 过渡上局部应用微分光偏移（图 1b）。因此，所有到3P1流形的跃迁都偏移了1S0-3P1线宽的500倍以上，而1S0基态中的原子仅经历 20 kHz 的光偏移。在没有透明光束的情况下，凹坑中纯BEC的寿命短于 40 ms，而在有透明光束的情况下，寿命超过1.5 s。为了在凹坑中形成 BEC，超冷气体必须超过一阶的临界相空间密度。凹坑是由垂直传播的1070 nm 光束产生的，其腰径为 27 μm，聚焦在储库的中心。在稳定状态下，凹坑中的 6.9(4) × 105 原子通过与储层中 7.3(1.8) × 105 激光冷却原子的碰撞进行热化而保持在低温 (TD = 1.08(3) μK)。与储层相比，由于深度增加 (7 μK) 和体积小，凹坑提供了局部密度提升。这导致足够的相空间密度用于冷凝。
图1. 实验装置和方案。
证明BEC存在
为了证明 BEC 的存在，分析了thold = 2.2 s 和 3.2 s 的原子云密度图像，在 BEC 形成之前和之后，如图 2a、b 所示。这些χ积分吸收图像是在关闭所有激光束并让原子云膨胀18毫秒后拍摄的。两幅图像都显示了水平延伸的热原子的广泛分布，反映了膨胀前气体的空间分布。值得注意的是，较长thold的图像在最高光密度的位置显示出更小的椭圆特征，这与 BEC的存在一致。BEC的外观清楚地显示在图 2c、d 中，显示了y积分密度分布。简而言之，仅存在广泛的热分布。然而，随着时间增长，出现了双峰分布，这是 BEC存在的标志。通过将理论分布拟合到图 2a、b 中的吸收图像来进一步验证 BEC 的存在。如图2c、d 所示，通过将热分布与描述BEC的Thomas-Fermi 分布相结合，发现了极好的一致性。在较短的保持时间内，发现单独的热拟合足以描述数据，而在较长的时间内，需要额外的Thomas-Fermi 分量，表明存在 BEC。为了清楚地显示 BEC，从数据中删除了热拟合分量（见图2e，f）。图 2f中BEC的明显各向异性形状与各向异性凹坑的BEC扩展一致，其沿y轴的陷阱频率约为沿z 的两倍
图2. CW BEC检测。
证明BEC会无限期地持续存在
如图 3 所示，通过记录和分析不同thold的图像来研究凝聚物的形成瞬态和稳定性。图3a显示了初始5s地层瞬变( A-F )，然后在稳定BEC ( G-J )存在下的代表性密度剖面。同样，图3b给出了BEC原子数和相空间密度的演化和稳定性。观察到稳态 BEC的持续时间比纯 BEC的寿命（1.5-3 秒）和背景气体限制寿命（7 秒）都长得多。虽然没有连续监测 CW BEC，但它的原子数波动可以从许多单独的观察中估计出来。为了研究这些波动，作者收集了大约200个 thold = 15 s的测量值，这明显长于系统中的寿命和地层瞬态（图 3c）。平均 BEC 原子数为N = 7400(2,300)，没有一个点低于BEC 检测阈值 （2,000 个原子）。
对BEC的形成、增长和稳定进行建模为了解这种新的驱动耗散系统提供了宝贵的见解。它还提供了 BEC 的增益和损耗，这对于实际应用很重要，例如产生 CW原子激光器和改善物质波相干性。通过将唯象速率方程模型拟合到测量的温度和原子数来解释 BEC 动力学。作者分析涵盖了凝析油的形成和扰动，例如破坏储库装载。根据该模型，估计BEC的稳态增益为 2.4(5) × 105atoms s-1，具有代表性的拟合如图 3b所示。可以想象，这种增益的很大一部分是转化为形成 CW原子激光器的外耦合通量。此外，由于气体密度超过5 × 1014 atoms cm-3，BEC 在稳态下的损失主要是与热原子的三体复合。高而稳定的流入和损耗的存在使BEC 成为驱动耗散系统。
图3. CW BEC的形成和稳定性。
展望
这项研究证明了连续的玻色-爱因斯坦凝聚，为开放的、非平衡的量子系统的基础研究提供机会。其意义在于：
1）所证明的连续物质波放大增益机制可以为探索超冷物理提供一种新的方法，这种方法不局限于时间上分离的测量序列。
2）通过类比连续波光学激光器，这种放大可能消除由单个BEC的寿命和原子数对原子激光器相干性的基本限制。
3）基于连续物质波的量子传感器将彻底改变原子干涉测量法、量子传感和原子电子学(电子的原子当量)。
更值得一提的是，连续玻色-爱因斯坦凝聚态的产生是实现连续波原子激光器的关键一步，并将为量子技术中各种的应用铺平道路，例如连续波超辐射时钟。
然而，在实现这一愿景之前，必须克服两个关键挑战：
1）许多应用需要连续波原子激光器，需要将BEC原子从阱中转移出来。
2）在这个原理证明实验中的一致性可能是非常有限的，需要改进。这一缺陷主要是由于增益机制是通过将BEC直接浸入热(非凝聚)原子云中实现的，因此BEC本征上就会与热云强耦合。
在今后的工作中，降低热云的温度是提高BEC纯度和相干性的关键。这一步可以通过改善热云的冷却来实现，例如，蒸发冷却或一种称为拉曼边带冷却的技术，蒸发冷却为连续生产纯BEC提供了诱人的前景。
参考文献：
【1】Chun-Chia Chen, et al. Continuous bose–einstein condensation. Nature, 2022,
DOI: 10.1038/s41586-022-04731-z
https://www.nature.com/articles/s41586-022-04731-z
【2】A step closer to atom lasers that stay on. Nature, 2022,
DOI: 10.1038/d41586-022-01497-2
https://www.nature.com/articles/d41586-022-01497-2
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