一种奇异的物质状态变得更加怪异，也更有用。物理学家成功地将分子冷却到极低的温度，以至于数百个分子同步锁定，形成一个巨大的量子态。这些系统可用于探索奇异物理现象，例如通过创造可以无阻力流动的固体材料，或可构成新型量子计算机的基础。
自 1995 年以来，物理学家已经利用原子制造出类似的态，即玻色-爱因斯坦凝聚态，并利用它们来理解各种量子现象。但他们也一直渴望用稳定的分子制造这种凝聚态。分子之间的相互作用比原子更复杂，为研究和量子技术提供了更丰富的机会。但要将它们冷却到接近绝对零度以上十亿分之一度的温度以产生凝聚态，也困难得多。
柏林弗里茨·哈伯研究所的物理学家 Giacomo Valtolina 说：“十多年来，物理学家一直试图实现分子的玻色-爱因斯坦凝聚态。” 发表在 6 月 3 日《自然》杂志上的这项研究是“首次实现这一目标”，他说。“这篇论文非常令人兴奋。”
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奇异行为
量子物理学家在 20 世纪 20 年代预测，当物质冷却到接近绝对零度时，会开始表现出奇异的行为。海森堡不确定性原理指出，对粒子动量了解得越精确，对其位置的不确定性就越大。如果物质被冷却到几乎静止，其位置的不确定性就会膨胀。一旦不确定性大于粒子之间的距离，它们就会变得无法区分并重叠，从而占据单一的最低能量量子态——玻色-爱因斯坦凝聚态。
该系统显示出可控的宏观尺度集体量子行为，这使得研究人员可以将其用作模拟现象的场所，例如奇异的磁性和模型黑洞的霍金辐射发射。凝聚态已被用作量子传感器和原子钟，甚至进入太空。
哥伦比亚大学物理学家 Sebastian Will 说，分子比原子复杂得多，他领导了这项最新的工作。它们可以以原子不可能的方式旋转和振动，而极性分子（具有带正电和负电的末端）可以通过电磁力在长距离上相互作用。由于这些长程相互作用“定义了我们周围物质的性质”，分子凝聚态将使物理学家能够模拟和理解更广泛的现象，他说。
但有一个问题。“与原子相比……分子更难控制和冷却，”伊利诺伊州芝加哥大学的物理学家严 Zoe 说。
松散结合的结构，即费什巴赫分子，以前曾被诱导成凝聚态。但在稳定的分子中，冷却的最后阶段，即将分子云变成凝聚态，却被碰撞分子之间的化学反应破坏了。这些相互作用会加热分子并导致它们逃离分子云，留下太少分子可供使用。
Will 和他的团队找到了一种方法来防止极性分子云中的这些碰撞，每个极性分子由一个钠原子和一个铯原子组成。该团队对分子云施加了两种不同的微波场，一种使分子旋转，另一种使分子振荡。这些场共同定向分子，使它们始终相互排斥。“事实证明这绝对至关重要，”Will 说。
这种排斥力阻止了碰撞，使团队能够进一步冷却分子——通过驱逐最热的分子——而不会损失太多。结果是超过 1,000 个分子的凝聚态，冷却到绝对零度以上 60 亿分之一度。Valtolina 说，玻色-爱因斯坦凝聚态的标志“已清晰显示”。
严 Zoe 说，这些结果“非常棒”。它们将“真正激励和刺激冷分子领域的其他成员”。
奇异相
分子玻色-爱因斯坦凝聚态可以以多种方式使用。Valtolina 说，一种可能性是创造奇异的超固体相，在这种相中，刚性材料可以无阻力地流动。到目前为止，这仅在具有磁相互作用的原子气体中实现——现在可以在极性分子中实现，它们的相互作用“强大得多”，他说。
物理学家还将能够测试关于这种奇异物质将如何表现的预测。Will 说，通过调整微波场以允许分子之间发生一些相互作用，该团队预计会看到系统分离成量子液滴，这是一种新的物质相。通过使用激光将凝聚态限制在二维空间中，该团队还希望在显微镜下观察分子排列自身，形成一种晶体。“这是以前从未实现过的，”Will 说。
Will 补充说，凝聚态分子还可以构成新型量子计算机的基础。鉴于每个分子都处于相同的已知状态，它们可以被分离以形成量子比特，或称 qubits，即量子计算机中的信息单位。分子的量子旋转态（可用于存储信息）可以保持稳定长达数分钟，从而可以进行长时间和复杂的计算。
Will 说，对这篇论文的反应“是我从未经历过的”。“人们真的很喜欢它的潜力。”
本文经许可转载，并于 2024 年 6 月 3 日首次发表。