NaK分子實(shí)驗(yàn)主真空室內(nèi)部的近距離觀察。在中間，四根高壓銅線被路由到超高真空玻璃電池，在那里產(chǎn)生超冷極性分子。圖片來(lái)源：馬克斯·普朗克學(xué)會(huì)

當(dāng)高度稀釋的氣體冷卻到極低的溫度時(shí)，會(huì)顯示出奇怪的性質(zhì)。因此，一些氣體形成所謂的玻色 – 愛(ài)因斯坦凝聚物 – 一種所有原子齊心協(xié)力的物質(zhì)。另一個(gè)例子是超固體性：一種物質(zhì)表現(xiàn)得像具有周期性結(jié)構(gòu)的無(wú)摩擦流體的狀態(tài)。物理學(xué)家希望在冷卻由極性分子組成的氣體時(shí)發(fā)現(xiàn)特別多樣化和揭示性的量子物質(zhì)形式。它們的特點(diǎn)是電荷分布不均勻。與自由原子不同，它們可以旋轉(zhuǎn)，振動(dòng)，相互吸引或排斥。然而，很難將分子氣體冷卻到超低溫。位于Garching的馬克斯普朗克量子光學(xué)研究所（MPQ）的一組研究人員現(xiàn)在已經(jīng)找到了一種簡(jiǎn)單有效的方法來(lái)克服這一障礙。它基于微波的旋轉(zhuǎn)場(chǎng)。

就像一杯咖啡一樣的過(guò)程

在他們的實(shí)驗(yàn)中，研究人員使用了一種鈉鉀（NaK）分子氣體，這些分子被激光限制在光學(xué)陷阱中。為了冷卻氣體，該團(tuán)隊(duì)依靠一種長(zhǎng)期以來(lái)已被證明對(duì)冷卻未結(jié)合原子有效的方法：所謂的蒸發(fā)冷卻?！斑@種方法的工作原理類似于熟悉的過(guò)程，它會(huì)導(dǎo)致一杯熱咖啡冷卻下來(lái)，”MPQ量子多體系統(tǒng)部門超冷極分子實(shí)驗(yàn)室主任Simin-Yu Luo博士說(shuō)：在咖啡中，水分子不斷碰撞，從而交換部分動(dòng)能。如果兩個(gè)特別高能的分子碰撞，其中一個(gè)分子可以變得足夠快，以逃離咖啡 – 它從杯子里蒸出來(lái)。另一個(gè)分子保持較少的能量。這就是咖啡逐漸冷卻下來(lái)的方式。以同樣的方式，氣體可以冷卻到幾納開(kāi)爾文 – 在零下零下零度以上十億分之一度，零下273.15攝氏度。

然而：“如果氣體由分子組成，這些分子必須在非常低的溫度下另外穩(wěn)定下來(lái)，”羅說(shuō)。原因在于與未結(jié)合的原子相比，分子的結(jié)構(gòu)要復(fù)雜得多。因此，在碰撞過(guò)程中控制它們的運(yùn)動(dòng)是很困難的。這些分子在碰撞過(guò)程中可以粘在一起。此外，“極性分子的行為就像微小的磁鐵，可以卡在一起，在這種情況下，它們會(huì)因?qū)嶒?yàn)而丟失，”在Sim-Yu Luo的團(tuán)隊(duì)中進(jìn)行研究的Andreas Schindewolf博士解釋說(shuō)。近年來(lái)，這些困難已被證明是研究的巨大障礙。

鈉激光系統(tǒng)產(chǎn)生用于激光冷卻和鈉原子成像的黃光的圖片。圖片來(lái)源：馬克斯·普朗克學(xué)會(huì)

微波使分子保持分離

為了克服這一障礙，來(lái)自Garching的研究人員依靠一個(gè)技巧：額外應(yīng)用一種專門準(zhǔn)備的電磁場(chǎng)，作為分子的能量屏蔽 – 防止它們粘在一起?！拔覀兪褂脧?qiáng)大的旋轉(zhuǎn)微波場(chǎng)創(chuàng)造了這種能量盾，”Andreas Schindewolf解釋說(shuō)?！按艌?chǎng)使分子以更高的頻率旋轉(zhuǎn)。如果兩個(gè)分子彼此太接近，它們就可以交換動(dòng)能，但與此同時(shí)，它們會(huì)以一種相互排斥并迅速再次分離的方式排列自己。

為了產(chǎn)生具有所需性質(zhì)的微波場(chǎng)，研究人員在含有鈉鉀分子氣體的光學(xué)陷阱下放置了一個(gè)螺旋天線。“因此，分子變得互鎖的速率減少了一個(gè)以上數(shù)量級(jí)，”Xin-Yu Luo報(bào)道。此外，在場(chǎng)的影響下，分子之間形成了強(qiáng)烈而遠(yuǎn)距離的電相互作用。“結(jié)果，它們比沒(méi)有旋轉(zhuǎn)微波場(chǎng)的碰撞頻率要高得多 – 平均每個(gè)分子約500次，”物理學(xué)家說(shuō)。“這足以通過(guò)蒸發(fā)將氣體冷卻到接近絕對(duì)零度。

納米開(kāi)爾文微波冷凍機(jī)分子的藝術(shù)插圖。圖片來(lái)源：馬克斯·普朗克學(xué)會(huì)

新的低溫記錄

僅僅三分之一秒后，溫度就達(dá)到了21納開(kāi)爾文左右， 遠(yuǎn)低于臨界的“費(fèi)米溫度”。它標(biāo)志著極限，低于這個(gè)極限，量子效應(yīng)將主導(dǎo)氣體的行為-奇怪的現(xiàn)象開(kāi)始出現(xiàn)?！拔覀冞_(dá)到的溫度是迄今為止極性分子氣體中最低的，”羅很高興地說(shuō)。馬克斯·普朗克（Max Planck）的研究人員認(rèn)為，通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)裝置的技術(shù)改進(jìn)，它們可以達(dá)到更低的溫度。

這些結(jié)果可能對(duì)量子效應(yīng)和量子物質(zhì)的研究產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響?！坝捎谛碌睦鋮s技術(shù)非常簡(jiǎn)單，它也可以集成到大多數(shù)具有超冷極性分子的實(shí)驗(yàn)設(shè)置中，因此該方法應(yīng)該很快就會(huì)得到廣泛應(yīng)用 ，并有助于許多新發(fā)現(xiàn)，”MPQ部門量子多體系統(tǒng)主任Immanuel Bloch教授說(shuō)?！拔⒉ㄝo助冷卻不僅為超流體和超固體等特殊物質(zhì)狀態(tài)開(kāi)辟了一系列新的研究，”布洛赫說(shuō)?！按送?，它可能在量子技術(shù)中有用。例如，在量子計(jì)算機(jī)中，數(shù)據(jù)可能由超冷分子存儲(chǔ)?！皩?duì)于研究超冷極性分子的研究人員來(lái)說(shuō)，這是真正激動(dòng)人心的時(shí)刻，”Xin-Yu Luo說(shuō)。

更多信息：Andreas Schindewolf等人，微波屏蔽極性分子對(duì)量子簡(jiǎn)并的蒸發(fā)，Nature（2022）。DOI： 10.1038/s41586-022-04900-0

期刊信息：《自然》