协同冷却

协同冷却(相互作用冷却)是采用激光冷却的原子离子作为带电“缓冲气体”实现冷却。相较于利用低温氦作为缓冲气体。该方法可以获得更低的冷却温度。这里至少有两种不同的样品被同时俘获在离子阱中，其中一种样品可以利用激光直接冷却，其余的样品(或其中的一部分样品)则通过样品间的长程库仑相互作用被最终冷却下来。人们最早在潘宁阱中利用激光冷却原子离子的实验中观察到了协同冷却，随后在射频阱中也观察到了协同冷却。1

优点协同冷却的一个重要优点是它并不依赖于粒子内部能级结构、粒子的电偶极矩和磁偶极矩，而是仅仅与粒子的质量和所带电荷有关。目前已经分别在静电离子阱和射频离子阱中实现了多种原子样品的协同冷却。这些研究工作中，所有协同冷却的样品均为带单电荷的中等质量原子。

协同(原子)离子冷却同样适用于冷却分子离子。Drewsen及其合作者在这方面进行了开创性的工作，他们利用H2和激光冷却的Mg+反应制备MgH+分子离子，并在随后的实验中观察到了协同冷却和结晶现象。Baba和Waki等人也同样利用激光冷却的Mg+实现了离子的协同冷却，获得样品的温度相当于约为10 K的气相温度。这两个研究小组在协同冷却中都使用的是线性四极离子。

离子协同冷却的第二个优势是离子间的库仑相互作用使得冷却效果非常显著。我们在研究工作中仅用两种原子离子样品，利用协同冷却的方法可以实现从1 amu到470 amu质量范围内的任何(单电荷)原子和分子离子样品的冷却，甚至是高电荷态的重离子(质量可达到12400 amu)的冷却。1

制备方法制备协同冷却的原子和分子的方法有很多种。方法之一是将中性气体在真空室中释放，并利用穿过阱中心的电子束将中性气体原位电离。改变中性气体的局部压力和电子束强度可以控制装载速率。通过改变阱参数控制径向和轴向频率的比值可以实时地改变混合样品系综的形状。

以下几种方法可以将带电的大分子转化到气相。其中的一个方法是电喷射电离(ESI)。这个成熟的方法可以将溶液中的分子(甚至是重达几万个amu的分子)制备为带电的分子束。由针嘴喷射出的带电液滴快速蒸发变得越来越小，直到库仑爆炸使这些液滴变为具有不同质子数的单分子碎片。实验上利用四极质量过滤装置筛选实验所需荷质比的分子。因为这些分子在离子阱外制备，所以需要使用一个射频八极离子导引装置将它们转移并注入阱中。1

应用举例在玻色气体里观测到玻色一爱因斯坦凝聚之后，研究人员自然而然想到冷却费米原子，事实上，制备量子简并费米气体要比实现玻色一爱因斯坦凝聚困难得多，主要是因为对于单分量超冷费米气体，不能进行有效的蒸发冷却，在蒸发冷却过程中粒子之间需要通过弹性碰撞不断地进行热平衡，由于温度很低，粒子之间的弹性碰撞只有能量最低的散射分波，然而费米由于泡利不相容原理压制了一波散射，从而在低温下单个分量的费米气体是理想气体，不能通过碰撞被进一步蒸发冷却，解决这个实验困难的办法是，在磁场中同时冷却两个不相干的原子态，因为处与不同态的费米子可分辨，低温下弹性碰撞不会因泡利不相容原理而被压制，于是可以确保蒸发冷却，另外解决这个困难的方法是利用协同冷却，也就是用玻色气体协助冷却一个单分量的费米气体，相比于前一个方法，协同冷却的优点是费米原子的总数在冷却过程中不会减少。2

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刘军 - 副研究员 - 中国科学院工程热物理研究所