Nature封面能量罩帮助冷却极性分子，逼近绝对零度

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　　热力学第三定律告诉我们，不可能通过有限步骤使物体冷却到绝对零度。然而，科学家们一直在通过各种努力来逼近绝对零度，并探索超冷状态下（通常指温度低于1K）基本粒子的量子现象。自从1995年，第一个气态冷凝物超冷原子气体中玻色爱因斯坦凝聚态（BoseEinsteinCondensation，1920年代预测）被观测到〔1，2〕，超冷技术引起了物理学、化学、量子信息科学等领域的广泛关注。
　　铷原子气体的速度分布三视图，证明了玻色爱因斯坦凝聚态。图片来源：Wikipedia〔3〕
　　相比于原子间很弱的相互作用，极性分子间具有更强、长程、各向异性的电偶极作用，可以灵活地被光和其他电磁场操控。这使得超冷极性分子成为探索奇异量子效应、实现量子信息方案、检验基本常数如对称性和宇称的理想体系。要实现其全部潜能，需要将相互作用的分子气体深度冷却到量子简并区。但是，由于分子复杂的转动自由度以及超精细的内部自由度，当分子气体被冷却到极低温度时，其内部自由度的激发能比它的动能要大近10个数量级，这也使得冷却分子的研究非常困难。
　　分子自由度及其对应的能量尺度。图片来源：Phys。Today〔4〕
　　近日，马克斯普朗克量子光学研究所XinYuLuo研究团队报道了一种新型冷却技术，可以将极性分子气体冷却到21nK。其中的关键在于在极性分子气体蒸发冷却过程中施加强的旋转微波场，它有助于通过能量屏蔽稳定分子之间的碰撞。通过这种方式，研究者成功地将钠钾分子气体（NaK）冷却到接近绝对零度的超低温，并创造了新的低温记录。论文发表于Nature杂志，并被选为当期封面。
　　当期封面。图片来源：Nature
　　在他们的实验中，钠钾分子气体被激光限制在光阱中。为了冷却气体，该团队使用了一种长期以来被证明对冷却未结合原子有效的方法：蒸发冷却。这种方法的原理，和一杯热咖啡冷却下来的过程很类似，XinYuLuo博士说〔5〕。在热咖啡中，水分子不断碰撞，从而交换部分动能。如果两个能量较高的水分子发生碰撞，其中一个会获得更高的能量，得以从咖啡逸出，而另一个分子则剩下较少的能量。如此，热咖啡的温度就会慢慢下降。基于同样原理，分子气体也可以降温到极低温度，只不过，这些分子在非常低的温度下必须要有额外的稳定措施。原因在于与未结合原子相比，分子的结构要复杂得多，在碰撞过程中控制分子的运动非常困难。极低温下，分子之间在短程内的碰撞不稳定，并非弹性碰撞，极性分子的行为就像可以吸附在一起的微小磁铁，本文一作AndreasSchindewolf博士解释说。〔5〕这些困难已被证明是近年来研究的巨大障碍。
　　NaK分子实验的真空室。图片来源：马普所〔5〕
　　为了克服这个障碍，研究者想到了一个有趣的解决方案引入电磁场给分子加一层能量罩，避免它们像磁铁一样吸在一起。我们使用强的旋转微波场创建了这种能量罩，AndreasSchindewolf说，旋转微波场使分子以更高的频率旋转。〔5〕当两个分子彼此靠近时，额外的能量迫使它们对齐，碰撞交换动能，随后相互排斥并迅速再次分离。这种被称为microwaveshielding（姑且译作微波屏蔽）的策略就是本文的关键所在。
　　钠激光系统产生黄光，用于激光冷却和钠原子成像。图片来源：马普所〔5〕
　　微波场由螺旋天线产生，放置于光阱下方，主要发射极化微波。NaK气体分子被最多三个具有指定波长的光偶极阱所限制。此外，在电磁场的影响下，分子之间产生了强而长程的电相互作用。与没有旋转微波场的情况相比，它们的碰撞频率要高得多，平均每个分子约500次。这足以通过蒸发将气体冷却到接近绝对零度。
　　微波屏蔽装置图及屏蔽效果。图片来源：Nature
　　蒸发冷却的性能会受到弹性碰撞与非弹性碰撞率之比的限制。分子由超冷原子通过Feshbach共振和随后的受激拉曼绝热路径（STIRAP）形成绝对基态。研究者分别测量了800nK温度下，气体中分子的弹性与非弹性碰撞速率系数。通过微波屏蔽，二者之比最大可以超过1000，这种碰撞参数有助于将NaK分子冷却到0。4倍费米温度以下。
　　弹性和非弹性碰撞。图片来源：Nature
　　通过蒸发冷却，研究者将NaK分子的温度降低到了21nK，对应于临界费米温度的36，位于量子简并区深处，简并分子样品的寿命高达0。6s。费米温度标志着一个极限，低于这个极限，量子效应将主导气体的行为。
　　蒸发冷却。图片来源：Nature
　　这一结果可能对量子效应和量子物质的研究产生深远影响。这种新冷却技术非常简单，甚至可以集成到大多数具有超冷极性分子的实验装置中，因此该方法应该很快就能得到广泛应用，并有助于产生很多新的发现，马普所的ImmanuelBloch教授说〔5〕。未来，这项新技术或将创造和探索多种形式的量子物质，为研究具有强偶极相互作用的多体现象开辟了道路。
　　Evaporationofmicrowaveshieldedpolarmoleculestoquantumdegeneracy
　　AndreasSchindewolf，RomanBause，XingYanChen，MarcelDuda，TijsKarman，ImmanuelBlochXinYuLuo
　　Nature，2022，607，677681。DOI：10。1038s41586022049000
　　参考文献：
　　〔1〕K。B。Davis，etal。BoseEinsteinCondensationinaGasofSodiumAtoms。Phys。Rev。Lett。1995，75，3969。DOI：10。1103PhysRevLett。75。3969
　　〔2〕鹿博，王大军，超冷极性分子。物理学报，2019，68，043301。DOI：10。7498aps。68。20182274
　　〔3〕BoseEinsteincondensate
　　https：en。wikipedia。orgwikiBoseE28093EinsteincondensateInfiction
　　〔4〕JinD。S。，YeJ。Polarmoleculesinthequantumregime。Phys。Today，2011，64，27。
　　DOI：10。10631。3592002
　　〔5〕ANanokelvinMicrowaveFreezerforMolecules
　　https：www。mpq。mpg。de673148507ultracoldmicrowavemolecules