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。“這種方法的工作原理類似于熟悉的過程，它會(huì)導(dǎo)致一杯熱咖啡冷卻下來，”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：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。另一個(gè)分子保持較少的能量。這就是咖啡逐漸冷卻下來的方式。以同樣的方式，氣體可以冷卻到幾納開爾文 – 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，”羅說。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，在碰撞過程中控制它們的運(yùn)動(dòng)是很困難的。這些分子在碰撞過程中可以粘在一起。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。近年來，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?！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?！耙虼?，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?！敖Y(jié)果，它們比沒有旋轉(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?！斑@足以通過蒸發(fā)將氣體冷卻到接近絕對(duì)零度。
納米開爾文微波冷凍機(jī)分子的藝術(shù)插圖。圖片來源：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)象開始出現(xiàn)。“我們達(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。馬克斯·普朗克（Max Planck）的研究人員認(rèn)為，通過對(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?！拔⒉ㄝo助冷卻不僅為超流體和超固體等特殊物質(zhì)狀態(tài)開辟了一系列新的研究，”布洛赫說?！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說，這是真正激動(dòng)人心的時(shí)刻，”Xin-Yu Luo說。
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》
