“玻色子”MIT中国博士为探测量子统计打造新手段，成功观测到光散射中的玻色激励效应

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来源：DeepTech深科技

麻省理工学院沃夫冈·克特勒（Wolfgang Ketterle）教授，是 2001 年的诺贝尔物理学奖得主。他是玻色-爱因斯坦凝聚的最初发现者之一，主攻方向为超冷原子以及超冷分子体系中的量子现象。

目前，北大校友路裕焜正在沃夫冈课题组读博。几个月前，路裕焜和同事在超冷钠 23 原子气里首次观察到光散射中的玻色激励效应，相关论文发在 Nature Physics 上。

需要说明的是，本次成果是在实验上揭示了一种非常基本的物理过程：即在玻色子体系中，光的散射会被增强。其潜在应用更多是在科研领域，在超冷原子研究中，光学方法——是科研人员探测冷原子体系的重要手段。

因此，对于使用光学方法定量探测玻色子系统来说，此次针对玻色子光散射的研究是至关重要的，它提供了一种借助光散射去研究相互作用体系的方法，并能被推广到其它体系，比如利用光散射来研究系统的量子统计、相互作用以及相变等。

相信但不迷信权威

近年来，沃夫冈实验室专注于研究超冷原子对光的散射。在这项工作之前，他们曾研究过费米子系统中对光散射的抑制作用（泡利阻塞效应）。后来，考虑到课题组的实验仪器既可以研究费米子、也可以研究玻色子，于是大家产生了研究玻色子体系对应现象的想法。

定下课题之后，第一步便是将原子气准备到能观测到玻色子激励的条件。根据此前学界的理论预言，需要把玻色子原子冷却到量子简并的状态，并且压缩到高密度状态。

由于非弹性碰撞的存在，要想同时达到这两点并不容易。尝试各种方案之后，该团队发现只需对囚禁原子气的光势阱收紧过程予以优化，原子气就可以在密度变高的同时，让温度高的原子在离开势阱之后实现冷却。

在将原子气准备到所需状态之后，则需利用光学手段探测它们的光散射效应。期间，课题组将一束微弱的远离原子共振频率的激光打到原子气上，并借助相机来接收原子散射的光子。

之所以使用微弱的激光，是因为要在原子气性质尚未被外加激光改变的条件下，测量它们光散射的响应。此外，还需要使用远离共振频率的激光，以确保在观测光散射效应的同时，忽略掉其它可能影响实验信号的效应。

测量中，在不同温度的条件下，该团队记录了原子气对于光子散射的强弱程度。当原子气温度越低、且它们对光的散射越强时，便意味着光散射中的玻色子激励现象发生了（图 1）。

此外，他们还注意到由于原子间存在相互作用，因此光散射性质也会被改变。而在将相互作用纳入考量条件之后，实验结果和理论预测也是吻合的（图 2）。

图 1 |（a），实验观察到的光散射随温度降低的增强，这种增强来源于光散射中的玻色子激励效应。（b），谐振子势阱中光散射玻色子增强效应的理论计算（来源：Nature Physics）

图 2 | 在玻色-爱因斯坦凝聚相变温度之上（a）和之下（b）的光散射玻色子增强效应。图中虚线代表基于无相互作用玻色子的理论预测，实线代表包括了原子间相互作用的理论结果（来源：Nature Physics）

对于写论文来说，它和写作文最大的相同之处，大概就是找选题。而本次课题的敲定，让路裕焜至今历历在目。

他和同事所研究的原子散射光子的行为，是自然界一种非常基本的过程。在冷原子领域，人们早在几十年前就曾探索过光散射的理论和实验。

对于玻色子的光散射性质，他们的第一反应是：如此基本的实验，之前一定有人研究过。当进一步寻找参考文献时发现确实如此：几十年前就已经存在理论计算，近几年也有科学家表示观察到了光散射中的玻色子激励现象。

然而，经过该团队的认真思考和讨论，他们发现之前有些工作存在误导性甚至是错误。这也就意味着，学界对于光散射中玻色子激励的理解仍有些许偏差，同时也代表着这种物理现象至今仍未被观测到。

至此，他们正式决定以此方向为课题，力争澄清领域里的误解，向着“首次观测光散射玻色子激励现象”的目标迈进。

“终于，功夫不负有心人，几个月之后我们就得到了令人信服的实验结果。我们不光在实验上第一次展示了光散射中的玻色子激励效应，澄清了前人工作对此的误解，还对此现象的理论作出了一些严格计算和推广。”路裕焜说。

经此一役，也让他更加意识到批判性思维的重要性。自古以来，科学的发展就离不开前人的研究，大家都相信只有站在巨人的肩膀上，才能让后来者更进一步。

然而，即使是巨人也有能会犯错。作为后来者只有加深自己对基本概念的理解，同时用批判性的眼光看待问题，才能站在更坚实的根基上，推动科研之轮滚滚向前。

后续，路裕焜和同事准备使用光散射，来表征相互作用更强的系统比如具有极强偶极相互作用的体系。在这种体系中，相互作用不仅具备各向异性，而且具有长程作用。因此，依靠现有理论很难对其体系性质进行准确的计算。

而光散射实验，则可以加深对于这些体系的理解。届时，课题组将借助一些实验数据，来与理论预测做比对。

另据悉，路裕焜出生于北京，本科和博士分别就读于北京大学和麻省理工学院，从大一至今坚持耕耘在物理领域。

他说：“本科期间，我主要研究非厄米光学体系的性质；读博期间，我的研究方向是超冷原子体系中的量子模拟和量子计算。在麻省理工学院读博期间，我曾获得 NTT Research Fellowship 和 MathWorks Fellowship 等奖学金。博士毕业之后，我准备先在美国做博士后研究，然后申请教职。对于教职的地点我目前保持开放态度，近年来国内的量子物理发展得也很迅速，所以国内的 offer 也是我的理想选择之一。”

1.Lu, YK., Margalit, Y. & Ketterle, W. Bosonic stimulation of atom–light scattering in an ultracold gas. Nat. Phys. 19, 210–214 (2023). https://doi.org/10.1038/s41567-022-01846-y

好了，关于MIT中国博士为探测量子统计打造新手段，成功观测到光散射中的玻色激励效应就讲到这。