NaK分子实验主真空室内部的近距离观察。在中间，四根高压铜线被路由到超高真空玻璃电池，在那里产生超冷极性分子。图片来源：马克斯·普朗克学会
当高度稀释的气体冷却到极低的温度时，会显示出奇怪的性质。因此，一些气体形成所谓的玻色 – 爱因斯坦凝聚物 – 一种所有原子齐心协力的物质。另一个例子是超固体性：一种物质表现得像具有周期性结构的无摩擦流体的状态。物理学家希望在冷却由极性分子组成的气体时发现特别多样化和揭示性的量子物质形式。它们的特点是电荷分布不均匀。与自由原子不同，它们可以旋转，振动，相互吸引或排斥。然而，很难将分子气体冷却到超低温。位于Garching的马克斯普朗克量子光学研究所（MPQ）的一组研究人员现在已经找到了一种简单有效的方法来克服这一障碍。它基于微波的旋转场。
就像一杯咖啡一样的过程
在他们的实验中，研究人员使用了一种钠钾（NaK）分子气体，这些分子被激光限制在光学陷阱中。为了冷却气体，该团队依靠一种长期以来已被证明对冷却未结合原子有效的方法：所谓的蒸发冷却。“这种方法的工作原理类似于熟悉的过程，它会导致一杯热咖啡冷却下来，”MPQ量子多体系统部门超冷极分子实验室主任Simin-Yu Luo博士说：在咖啡中，水分子不断碰撞，从而交换部分动能。如果两个特别高能的分子碰撞，其中一个分子可以变得足够快，以逃离咖啡 – 它从杯子里蒸出来。另一个分子保持较少的能量。这就是咖啡逐渐冷却下来的方式。以同样的方式，气体可以冷却到几纳开尔文 – 在零下零下零度以上十亿分之一度，零下273.15摄氏度。
然而：“如果气体由分子组成，这些分子必须在非常低的温度下另外稳定下来，”罗说。原因在于与未结合的原子相比，分子的结构要复杂得多。因此，在碰撞过程中控制它们的运动是很困难的。这些分子在碰撞过程中可以粘在一起。此外，“极性分子的行为就像微小的磁铁，可以卡在一起，在这种情况下，它们会因实验而丢失，”在Sim-Yu Luo的团队中进行研究的Andreas Schindewolf博士解释说。近年来，这些困难已被证明是研究的巨大障碍。
钠激光系统产生用于激光冷却和钠原子成像的黄光的图片。图片来源：马克斯·普朗克学会
微波使分子保持分离
为了克服这一障碍，来自Garching的研究人员依靠一个技巧：额外应用一种专门准备的电磁场，作为分子的能量屏蔽 – 防止它们粘在一起。“我们使用强大的旋转微波场创造了这种能量盾，”Andreas Schindewolf解释说。“磁场使分子以更高的频率旋转。如果两个分子彼此太接近，它们就可以交换动能，但与此同时，它们会以一种相互排斥并迅速再次分离的方式排列自己。
为了产生具有所需性质的微波场，研究人员在含有钠钾分子气体的光学陷阱下放置了一个螺旋天线。“因此，分子变得互锁的速率减少了一个以上数量级，”Xin-Yu Luo报道。此外，在场的影响下，分子之间形成了强烈而远距离的电相互作用。“结果，它们比没有旋转微波场的碰撞频率要高得多 – 平均每个分子约500次，”物理学家说。“这足以通过蒸发将气体冷却到接近绝对零度。
纳米开尔文微波冷冻机分子的艺术插图。图片来源：马克斯·普朗克学会
新的低温记录
仅仅三分之一秒后，温度就达到了21纳开尔文左右， 远低于临界的“费米温度”。它标志着极限，低于这个极限，量子效应将主导气体的行为-奇怪的现象开始出现。“我们达到的温度是迄今为止极性分子气体中最低的，”罗很高兴地说。马克斯·普朗克（Max Planck）的研究人员认为，通过对实验装置的技术改进，它们可以达到更低的温度。
这些结果可能对量子效应和量子物质的研究产生深远的影响。“由于新的冷却技术非常简单，它也可以集成到大多数具有超冷极性分子的实验设置中，因此该方法应该很快就会得到广泛应用 ，并有助于许多新发现，”MPQ部门量子多体系统主任Immanuel Bloch教授说。“微波辅助冷却不仅为超流体和超固体等特殊物质状态开辟了一系列新的研究，”布洛赫说。“此外，它可能在量子技术中有用。例如，在量子计算机中，数据可能由超冷分子存储。“对于研究超冷极性分子的研究人员来说，这是真正激动人心的时刻，”Xin-Yu Luo说。
更多信息：Andreas Schindewolf等人，微波屏蔽极性分子对量子简并的蒸发，Nature（2022）。DOI： 10.1038/s41586-022-04900-0
期刊信息：《自然》
