该团队确定了两个不同的磁场区域，其中可能发生冷凝。图片来源：因斯布鲁克大学

在一项开创性的努力中，因斯布鲁克大学的研究人员与达勒姆大学合作，首次实现了非基态铯原子的玻色-爱因斯坦凝聚。这项研究发表在《自然通讯》上，为超冷原子气体的新实验和多体量子物理学的研究铺平了道路。

原子世界通常以随机混沌和热量为特征，当原子急剧冷却时，原子世界会发生显着的转变。在略高于绝对零度的温度下，原子进入一种独特的量子态，称为玻色-爱因斯坦凝聚态（BEC），在那里它们表现为一个单一的、相干的实体。BEC 的第一次成功实现是在 1995 年，即阿尔伯特·爱因斯坦和 Satyendra Nath Bose 的理论预测 70 年后。

从那时起，研究人员一直在深入研究这些超冷气体的特殊性质，以解开量子力学的奥秘。此外，超冷原子气体以其高度可控性而闻名，已成为少体和多体量子物理学的宝贵试验台。

特别是铯在这方面发挥了重要作用，因为它具有丰富的费什巴赫共振景观，可以精确地调整相互作用。传统上，铯在其绝对基态下是凝聚的。现在，因斯布鲁克大学的研究人员与达勒姆大学的一个理论团队合作，首次实现了塞曼激发mF=2态（一种非基态构型）中铯原子的凝聚。

“玻色-爱因斯坦凝聚的实现取决于保持良好的好坏碰撞比例。弹性碰撞在驱动蒸发和热化过程中起着至关重要的作用，而两体非弹性碰撞和三体复合会降低冷却效率，可能达到无法达到BEC的程度，“该研究的第一作者Milena Horvath解释说。

该团队确定了两个不同的磁场区域，其中可能出现冷凝，两体损失可以忽略不计，三体损失得到充分抑制。“在这种非基态构型下凝聚铯原子也揭示了一些有趣且意想不到的三体损失机制，”Horvath说。

“意想不到的三体损失机制的发现突出了超冷原子系统的复杂性，并强调了详细实验的重要性，”首席科学家Hanns-ChristophNägerl补充道。

这一最新成就建立在自2003年首次在因斯布鲁克浓缩铯以来二十年的进展之上，展示了该领域的持续进步。“这一成就增加了因斯布鲁克量子研究的丰富历史，”Hanns-Christoph Nägerl说。

“随着我们继续我们的旅程，我们期待加深对多体量子物理学的理解，如杂质和极化子物理学，以及拓扑相变和量子气体混合物。

更多信息：Milena Horvath 等人，非基态铯原子的玻色-爱因斯坦凝聚，Nature Communications （2024）。DOI： 10.1038/s41467-024-47760-0

期刊信息： Nature Communications