超冷气体中原子光散射的首次实验性玻色子刺激

玻色子是两种基本粒子之一，一直是无数物理学研究的焦点。当玻色子粒子转变为已占据的最终量子态时，这种转变的速率会因其所谓的“占据数”而增强，这种效应称为玻色子刺激。玻色子刺激在光散射过程中的出现早在30多年前就已被预测到，但迄今为止，在实验环境中直接观察它具有挑战性。

麻省理工学院-哈佛大学超冷原子中心的研究人员最近首次观察到玻色子在超冷气体中增强的光散射。他们的发现发表在《自然物理学》上，可能为玻色子系统的研究开辟新的令人兴奋的可能性。

“对于玻色子来说，进入已经占据的量子态的跃迁率会因其占据数而提高：玻色子刺激的影响，”进行该研究的研究人员之一卢玉坤告诉Phys.org。

“虽然以各种形式观察到玻色子刺激，但30多年前就预测了光散射的玻色子刺激，但已证明难以直接观察。简而言之，如果将光微扰地照射在理想的Bose气体上并观察到增强接近量子简并时的散射光，这将是玻色子增强的‘确凿证据’。”

为了进行他们的实验，Lu和他的同事准备了一个高密度的超冷23Na气体云。然后，他们将一束光照射到它上面，并测量了来自该系统的散射光子的数量。

他们发现，在系统转变为玻色-爱因斯坦凝聚(BEC)之前，光子的散射已经增强。然而，这种增强在相变点以下变得更大，这是理论预测在存在玻色子刺激的情况下会发生的情况。

“我们观察到光散射已经在BEC相变之上增强，而在相变之下有更明显的增强，”Lu解释道。“通过将数据与理论预测进行比较，我们发现原子之间的相互作用也会影响光散射，尤其是在相变以下。此外，我们表明，对于在单一内部状态下制备的多能级系统，玻色子增强会发生仅适用于瑞利散射，但不适用于拉曼散射。”

Lu和他的同事最近的研究提供了超冷气体中原子光散射玻色子刺激的第一个实验。该团队的观察清楚地证明了量子统计和相互作用如何改变玻色气体的光学特性。

“了解光散射过程中量子统计、相互作用和相变之间的相互作用不仅具有根本意义，而且对于使用光学方法对玻色子系统进行定量诊断也至关重要，”Lu补充道。“在我们未来的工作中，由于不存在密度不均匀性，研究盒势中光散射的玻色子增强将是有希望的。那样的话，增强效应会更大，相互作用效应的研究也会更多直截了当。”

在他们接下来的研究中，研究人员还希望利用光散射来表征强相互作用系统，包括具有强偶极相互作用的系统，这些系统具有各向异性和长程。这可以促进当前对这些强相互作用系统的理解，同时还提供有助于验证理论预测的重要实验数据。