在超冷浴中单离子杂质物理有什么特点？

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«——【·摘要·】——»

杂质物理是凝聚态物理中的一个传统课题，现在正在超冷气体领域中探索。在不同种类的杂质中，我们集中在超冷浴中的带电杂质。当单个离子与超冷气体接触时，它会经历不同的反应过程，这可以从冷气体中理解化学视角。

在这项工作中，我们提出了在超冷原子或分子浴中单个离子的动力学方法的展望，补充了凝聚态物理中杂质物理特征的通常的多体方法。特别地，我们集中于不同域中带电杂质的演化，包括外部时间相关的俘获电势，并探索离子中性混合阱中存在的外部激光源对杂质的反应概率和演化的影响。

«——【·介绍·】——»

寒冷化学侧重于研究化学的温度下的反应1未知节点类型:trans≲T≲1K 。在这样的温度下，原子和分子的动力学大概是由纯量子力学行为所主导的，这导致了一些有趣的现象化学的共振效应等反应。

原子和分子的平均动能与由外场引起的典型能量偏移相当。因此，有可能有效地控制原子和分子的运动和相互作用。特别是，由于离子-中性混合阱的发展，人们可以以可控的方式研究带电-中性相互作用，为发现和分析新的反应机制铺平了道路

如今离子中性混合阱有了更大的用途:研究中性粒子海洋中带电粒子的杂质物理学。脚注1杂质物理是凝聚态物理中的一个传统领域，基于准粒子的概念:一种具有特殊动力学的杂质-熔池混合实体。一个主要的例子是Landau和Pekar的工作，其中他们意识到电荷载流子与晶格(浴)的振动相互作用，用随后形成的被称为极化子的准粒子修饰电荷载流子。

极化子的概念在理解像庞磁电阻这样的凝聚态物理现象中起着至关重要的作用，有机半导体中的电荷传输，以及高温超导性.事实上，由于超低温下的原子和分子系统，超越材料科学的范式研究极化子模型已经成为可能.

一般来说，对少体过程的研究，比如化学的反应，被认为是从凝聚态物理中分离出来的一个主题。然而，任何多体理论都需要来自少体过程的输入，这些少体过程可以约束、影响并最终控制系统的一些多体方面。

一个主要的例子是超冷气体中的里德堡杂质.在这种情况下，在里德堡原子的寿命期间，里德堡原子在超冷浴中诱导集体激发。然而，据观察，当放置在浴中时，里德堡寿命比在真空中短得多。

这一直是个谜，直到人们认识到更快的衰变速率是非弹性少体过程和反应过程的结果.非弹性过程被称为l-改变碰撞，其中里德堡态在与中性原子碰撞后最终处于高角动量态。反应过程是缔合电离[(化学电离机制之一，其中里德堡电子被电离，导致分子离子的形成。

在离子-中性混合阱中，与中性-中性相互作用相比，带电-中性相互作用的长程性质可能导致新的和意想不到的多体现象.然而，一个更突出的长程相互作用不可避免地导致化学的反应，它影响杂质的状态和寿命(如果它包含内部自由度)，正如最近显示的.因此，为了全面理解超冷浴中带电杂质的多体物理，有必要描述该系统的反应和非弹性过程，这一过程常常由于存在与时间有关的俘获势而变得更加复杂。

在这篇新观点的文章中，我们提出了一个在超冷浴中带电杂质物理学的少体观点，强调了冷的作用化学的多体模型所需的反应。特别是，我们强调了与超冷原子气体中单个离子相关的离子-原子-原子三体复合反应，它导致弱束缚分子离子的形成和在超冷分子浴中从单个原子离子形成分子离子，这是一个主要未探索的领域。

必要的序言

在进入本文的主题之前，我们认为有必要强调一下寒冷化学如引言中所述，代表任何化学的在1 K和1 mK之间的温度下发生的反应，其中量子力学效应可能对不同的散射可观测性起重要作用。

事实上，在给定的温度范围内，量子力学效应的相关性取决于潜在的粒子间相互作用。例如，让我们假设两个粒子之间的长程相互作用由下式给出−Cn/Rn，在那里n≥3和Cn是长程系数。分波的数量，l未知节点类型:trans有助于在给定碰撞能量下任何可观察到的散射，Ek，在那里μ碰撞伙伴的质量减少了。因此，粒子间相互作用势决定了在给定碰撞能量下与可观测散射相关的分波数。

假设在l未知节点类型:trans∼20量子力学效应可能是平均的，我们已经计算了最低的碰撞能量，在该能量下经典方法是可靠的，碱-碱和碱-碱离子碰撞的结果。，我们注意到量子力学效应主导了冷化学涉及中性的过程。然而，在相同的状态下，离子-中性混合阱中的离子-原子相互作用非常适合经典轨迹方法.

较低的碰撞能量，在该能量下20分波对可观测的散射有贡献。从标记左侧开始的线表示离子-中性相互作用，而其余的线表示中性-中性相互作用。向上指的箭头表示对于可观测散射的经典轨迹方法的有效区域。图改编自参考文件.

超冷原子浴中的一个原子离子

囚禁在超冷原子海洋中的单个离子是研究奇异杂质物理的原型场所，并且主要从多体角度对其进行了广泛的研究.因此，预计超冷原子浴中的单个离子可能与周围的原子形成束缚态，导致形成“介观分子离子”.

除了Schurer等人的工作之外，大多数关于该主题的文献都集中在系统的基态性质和动力学上，忽略了离子的运动，其中包含了离子在谐波阱中的运动。在哪里ρ是气体的密度。

为未知节点类型:trans++未知节点类型:trans+未知节点类型:trans低温下的碰撞，三体复合率为∼10−24厘米6/s 并假设原子气体的典型原子密度接近量子简并，碰撞时间为∼100μ南换句话说，100 μ s后，离子杂质将演变成分子离子，从而给定了杂质寿命的上限，并因此限制了系统中发生的任何多体现象。

超冷原子浴中的弱束缚分子离子

离子-原子-原子三体复合后产生的分子离子处于弱束缚振动状态，其结合能与碰撞能相关.分子离子可以进一步与熔池的原子碰撞；因此，它可以被视为一类新的杂质。这其中的动力新的可以从准经典轨道(的角度研究杂质，其中经典力学的牛顿定律描述了势能面中原子核的运动。

相比之下，轨迹的初始条件是通过Wentzel、Kramers和Brillouin (WKB)或半经典近似根据碰撞伙伴的量子状态选择的。相同的方法被应用于将相空间内轨迹的位置和动量的最终值映射到手边系统的量子状态.

分子离子形成和解离的反应速率未知节点类型:trans++未知节点类型:trans2对于固定的碰撞能量，Ek，作为李的结合能的函数2分子。每个反应速率有两个结果:一个对应于假设时间无关长期近似的结果。

另一个包括离子在保罗阱(PT)中感觉到的随时间变化的俘获电势。在该图中，注意到对于紧密结合的分子Eb≫Ek，离子与分子反应，以类似于朗之万预测的速率形成分子离子。然而，对于弱束缚分子，分子离解主导动力学。还值得指出的是，与SA结果相比，包含时间依赖的俘获电势系统地导致较低的分子离子形成速率，转化为较大的解离速率。

分子离子形成(实线)和离解(虚线)的反应速率，是分子结合能和碰撞能的函数Ek≈11μk(虚线)，对应于T未知节点类型:trans2=2μk和T未知节点类型:trans+=100μK.结果，包括明确的时间相关的俘获势，被标记为PT，而在时间无关的长期近似内的结果被标记为SA。水平虚线是Li-Yb的朗之万碰撞率+。

对于不同的碰撞能量和磁场，可以画出弱束缚分子浴中单个离子的相图。结果发现，正如图中所预料的那样6杂质的性质取决于熔池分子的结合能)和碰撞能

特别是，原子离子杂质在低碰撞能量和相当大的分子结合能(较小的磁场)下演变成分子离子。因此，弱束缚分子浴中的单个离子可以调谐成弱束缚分子浴中的分子离子，这为杂质物理开辟了新的途径，带来了潜在的新极化子效应。特别地，当离子被置于极性分子的超冷浴中时，预期一些取向效应在导致新极化子效应的动力学中起重要作用。

弱束缚分子超冷浴中单个离子的相图。磁场通过Feshbach共振建立了浴中分子的结合能，而碰撞能由阱中离子的平移温度决定。对于较高的离子温度，离子在浴中存活，而在较低的离子温度，离子与分子反应，导致形成稳定的分子离子。误差条的特征在于使用蒙特卡罗方法对相空间进行采样。

«——【·总结·】——»

总之我们已经强调了不同的场景，其中超冷浴中的单个离子根据浴的属性、外部激光源的存在和随时间变化的电势而发生不同的演变。特别是，我们已经提出了最相关的冷少体过程化学它们在原子或分子的超冷浴中的带电杂质的动力学和演化中起作用。结果，高密度镀液中的单个离子经历离子-原子-原子三体复合反应，导致弱结合分子离子的形成。

这种分子离子经历了与浴中原子的两体碰撞，导致它的振动弛豫，并被保持超冷原子的激光进一步光解离。另一方面，如果超冷分子浴中的分子紧密结合，则该浴中的单个离子将转变成分子离子，而在弱结合分子的情况下，该离子将保持不受干扰。事实上，已经可以画出Feshbach分子浴中的离子的“相图”,它显示了杂质的性质作为离子能量和施加的磁场的函数。

这篇新观点文章的主要目标是强调少体过程对于理解离子中性混合阱中的多体现象是必要的。因此，我们认为，要全面描述超冷原子海洋中带电杂质的动力学和主要性质，需要一种多体方法结合少体过程的混合方法。换句话说，要正确理解离子-中性混合阱中的杂质物理，必须减少少体和多体物理之间的人为鸿沟。

1我们想强调的是，有一种方法可以在中性镀液中产生带电杂质。这可以通过在玻色-爱因斯坦凝聚体中产生里德堡激发来实现.这种方法已经在实验上证明了其母气体中的离子，并且它可以扩展到异核离子-原子系统.

2通过将离心屏障的高度等同于碰撞能量，可以获得散射的最高分波贡献。

«——【·参考文献·】——»

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克雷姆斯，《化学。物理》，应用物理学杂志，1995年。

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