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熱力學第三定律告訴我們，不可能通過有限步驟使物體冷卻到絕對零度。然而，科學家們一直在通過各種努力來逼近絕對零度，並探索超冷狀態下（通常指溫度低於1 μK）基本粒子的量子現象。自從1995 年，第一個氣態冷凝物——超冷原子氣體中玻色-愛因斯坦凝聚態（Bose-Einstein Condensation，1920年代預測）被觀測到 [1,2]，超冷技術引起了物理學、化學、量子信息科學等領域的廣泛關注。

銣原子氣體的速度分布三視圖，證明了玻色-愛因斯坦凝聚態。圖片來源：Wikipedia [3]

相比於原子間很弱的相互作用，極性分子間具有更強、長程、各向異性的電偶極作用，可以靈活地被光和其他電磁場操控。這使得超冷極性分子成為探索奇異量子效應、實現量子信息方案、檢驗基本常數如對稱性和宇稱的理想體系。要實現其全部潛能，需要將相互作用的分子氣體深度冷卻到量子簡併區。但是，由於分子複雜的轉動自由度以及超精細的內部自由度，當分子氣體被冷卻到極低溫度時，其內部自由度的激發能比它的動能要大近10個數量級，這也使得冷卻分子的研究非常困難。

分子自由度及其對應的能量尺度。圖片來源：Phys. Today [4]

近日，馬克斯•普朗克量子光學研究所Xin-Yu Luo研究團隊報導了一種新型冷卻技術，可以將極性分子氣體冷卻到21 nK。其中的關鍵在於在極性分子氣體蒸發冷卻過程中施加強的旋轉微波場，它有助於通過能量屏蔽穩定分子之間的碰撞。通過這種方式，研究者成功地將鈉鉀分子氣體（NaK）冷卻到接近絕對零度的超低溫，並創造了新的低溫記錄。論文發表於Nature 雜誌，並被選為當期封面。

當期封面。圖片來源：Nature

在他們的實驗中，鈉鉀分子氣體被雷射限制在光阱中。為了冷卻氣體，該團隊使用了一種長期以來被證明對冷卻未結合原子有效的方法：蒸發冷卻。「這種方法的原理，和一杯熱咖啡冷卻下來的過程很類似」，Xin-Yu Luo博士說 [5]。在熱咖啡中，水分子不斷碰撞，從而交換部分動能。如果兩個能量較高的水分子發生碰撞，其中一個會獲得更高的能量，得以從咖啡逸出，而另一個分子則剩下較少的能量。如此，熱咖啡的溫度就會慢慢下降。基於同樣原理，分子氣體也可以降溫到極低溫度，只不過，「這些分子在非常低的溫度下必須要有額外的穩定措施。」原因在於與未結合原子相比，分子的結構要複雜得多，在碰撞過程中控制分子的運動非常困難。極低溫下，分子之間在短程內的碰撞不穩定，並非彈性碰撞，「極性分子的行為就像可以吸附在一起的微小磁鐵」，本文一作Andreas Schindewolf 博士解釋說。[5] 這些困難已被證明是近年來研究的巨大障礙。

NaK分子實驗的真空室。圖片來源：馬普所 [5]

為了克服這個障礙，研究者想到了一個有趣的解決方案——引入電磁場給分子加一層「能量罩」，避免它們像磁鐵一樣「吸」在一起。「我們使用強的旋轉微波場創建了這種能量罩」，Andreas Schindewolf說，「旋轉微波場使分子以更高的頻率旋轉」。[5] 當兩個分子彼此靠近時，額外的能量迫使它們對齊，碰撞交換動能，隨後相互排斥並迅速再次分離。這種被稱為「microwave shielding（姑且譯作「微波屏蔽」）」的策略就是本文的關鍵所在。

鈉雷射系統產生黃光，用於雷射冷卻和鈉原子成像。圖片來源：馬普所 [5]

微波場由螺旋天線產生，放置於光阱下方，主要發射σ-極化微波。NaK氣體分子被最多三個具有指定波長的光偶極阱所限制。此外，在電磁場的影響下，分子之間產生了強而長程的電相互作用。與沒有旋轉微波場的情況相比，它們的碰撞頻率要高得多，平均每個分子約500次。這足以通過蒸發將氣體冷卻到接近絕對零度。

微波屏蔽裝置圖及屏蔽效果。圖片來源：Nature

蒸發冷卻的性能會受到彈性碰撞與非彈性碰撞率之比的限制。分子由超冷原子通過Feshbach共振和隨後的受激拉曼絕熱路徑（STIRAP）形成絕對基態。研究者分別測量了800 nK溫度下，氣體中分子的彈性與非彈性碰撞速率係數。通過微波屏蔽，二者之比最大可以超過1000，這種碰撞參數有助於將NaK分子冷卻到0.4倍費米溫度以下。

彈性和非彈性碰撞。圖片來源：Nature

通過蒸發冷卻，研究者將NaK分子的溫度降低到了~21 nK，對應於臨界費米溫度的~36%，位於量子簡併區深處，簡併分子樣品的壽命高達0.6 s。費米溫度標誌著一個極限，低於這個極限，量子效應將主導氣體的行為。

蒸發冷卻。圖片來源：Nature

這一結果可能對量子效應和量子物質的研究產生深遠影響。「這種新冷卻技術非常簡單，甚至可以集成到大多數具有超冷極性分子的實驗裝置中，因此該方法應該很快就能得到廣泛應用，並有助於產生很多新的發現」，馬普所的Immanuel Bloch 教授說 [5]。未來，這項新技術或將創造和探索多種形式的量子物質，為研究具有強偶極相互作用的多體現象開闢了道路。

Evaporation of microwave-shielded polar molecules to quantum degeneracy

Andreas Schindewolf, Roman Bause, Xing-Yan Chen, Marcel Duda, Tijs Karman, Immanuel Bloch & Xin-Yu Luo

Nature, 2022, 607, 677-681. DOI: 10.1038/s41586-022-04900-0

參考文獻：

[1] K. B. Davis, et al. Bose-Einstein Condensation in a Gas of Sodium Atoms. Phys. Rev. Lett. 1995, 75, 3969. DOI: 10.1103/PhysRevLett.75.3969

[2] 鹿博, 王大軍，超冷極性分子. 物理學報, 2019, 68, 043301. DOI: 10.7498/aps.68.20182274

[3] Bose–Einstein condensate

https://en.wikipedia.org/wiki/Bose%E2%80%93Einstein_condensate#In_fiction

[4] Jin D. S., Ye J. Polar molecules in the quantum regime. Phys. Today, 2011, 64, 27.

DOI: 10.1063/1.3592002

[5] A Nanokelvin Microwave Freezer for Molecules

https://www.mpq.mpg.de/6731485/07-ultracold-microwave-molecules

（本文由小希供稿）