科学家首次实现对原子间范德华力的直接测量

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法国的科学家首次对两个原子之间的范德华力进行了直接的测量，所用实验方法可以用来建立量子逻辑门，或者用来进行凝聚态系统的量子模拟。

　　

原子偶极：科学家首次直接测量原子间的范德华力

（图片来源：iStockphoto/Nicemonkey）

原子间、分子间和物体表面间的范德华力以各种不同方式出现在日常生活中。例如，蜘蛛和壁虎就是依靠范德华力才能沿着平滑的墙壁向上爬，我们体内的蛋白质也是因为范德华力的存在才会折叠成复杂的形状。

范德华力是以荷兰科学家约翰内斯•迪德里克•范德华的名字命名的，他在1873年第一次提出了范德华力这个概念用以解释气体的行为。这种力非常微弱，只有当原子或者分子十分靠近的时候才有意义。原子电子云的涨落使得原子具有瞬时电偶极矩，从而诱导附近的原子产生电偶极矩，结果会产生相互吸引的偶极间相互作用。

间接测量

对原子间范德华力的间接测量已有非常多的研究成果，例如分析宏观物体间的净力来获得经验值，或者利用光谱学来分析双原子分子中两个原子间的长程作用力。但在这之前一直缺乏直接测量范德华力的相关研究。

这项最新的研究是由帕莱佐的查尔斯•法布里实验室（Laboratoire Charles Fabry， LCF）和里尔大学（University of Lille）的研究人员共同完成的。“我们所做的是，直接测量两个位于可控距离内的独立原子间的范德华力，原子间的距离由实验人员设定。据我们所知这是首次实现直接测量，”LCF团队成员蒂埃里•拉哈耶（Thierry Lahaye）说。

在测量原子间作用力时，控制两个普通原子之间的距离是极其困难的，因为相关的距离非常小。研究团队利用里德伯原子来解决这个问题，它们比普通原子大很多。里德伯原子中有一个电子处于高激发态，这意味着它们有一个很大的瞬时电偶极矩，因此即使处于相对较远的距离，也会存在较大的范德华力。它们同时还有某些独特的性质，使得它们在实验室中可以被精确控制。

原子对

实验首先利用两束高度聚焦的激光束分别捕获两个铷原子，并将原子分隔开几微米的距离。然后将一束特定波长的激光束照射在原子上，使得体系在基态和一个或两个里德伯原子之间振荡。研究团队发现，当条件合适时，体系将在基态和一对里德伯原子之间振荡，此时两个原子分别在两束激光的焦点上。通过测量这些振荡，研究人员计算出了两个里德伯原子之间的范德华力。

研究人员通过调整捕获激光束，可以将里德伯原子靠近或拉远。当研究人员改变原子之间的距离R时，作用力表现出与R的6次方呈反比的变化规律——这一结果和预期的范德华力完全一样。

除了测量范德华力，研究团队还发现两个相互作用的里德伯原子的量子态演化是完全相干的。LFC团队成员安托万•布拉维斯（Antoine Browaeys）称，这是“在原子物理中从未见到过的”。

与量子逻辑相似

两个相互作用原子的相干演化和工作于两个量子比特上的量子逻辑门是完全一样的。布拉维斯认为，这说明通过范德华力进行相互作用的两个原子是创建高保真量子门的理想系统，“这一结果让我们向量子计算机又进了一步。”他说。

事实上，研究人员认为他们实验的长远意义并不在于测量范德华力本身，而是实现了对里德伯原子的精确控制。 “这使得我们能够设计小的量子系统，并逐渐增加量子系统的尺寸，有希望从两个里德伯原子逐渐增加到几十个，而我们可以完全控制原子间的相互作用。”拉哈耶解释道。

这样的量子系统有望应用于量子信息处理或者凝聚态体系的量子模拟（例如量子磁体）等工作中。

并未参与此次研究的马里兰大学联合量子研究所的史蒂文•罗尔斯顿（Steven Rolston）将这一成果称作是重要的里程碑，他认为这将有助于量子信息设备的研发与制造，因为它证明了原子量子比特间的范德华力表现得与预期相同。

本研究发表于《物理评论快报》（Physical Review Letters）。

本文作者 卡蒂亚•摩斯科维奇是一位英国科学作家。