马克斯普朗克量子光学研究所的研究人员为分子气体开发了一种新型冷却技术——可将极性分子冷却到21纳开尔文（nanokelvin，10−9开尔文），仅为绝对零度以上亿分之二度，创造了新的低温记录。这种将极性分子气体冷却到接近绝对零度的新方法为研究“奇异物质”（exotic matter）的量子效应铺平了道路。
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基于旋转的微波场，将气体冷却到超低温度
实验团队使用的技巧是基于一个旋转的微波场，它通过一个“能量罩”（energetic shield）帮助稳定冷却过程中分子之间的碰撞。通过这种方式，马克斯-普朗克的研究人员成功地将钠钾分子气体冷却到绝对零度以上的一亿分之二度。通过这样做，他们创造了一个新的低温记录。未来，这项新技术将允许创造、探索许多形式的量子物质，而这些量子物质直到现在还无法通过实验获得。
钠钾分子实验的主真空室内近景。中间的四根高压铜线被引向一个超高真空玻璃室，超冷极性分子就在这里产生。
当高度稀释的气体冷却到极低的温度时，奇怪的特性就会显现出来。因此，一些气体形成了所谓的“玻色-爱因斯坦凝聚体”：这是一种所有原子都一致运动的物质类型；另一个例子是“超固体”：一种物质表现得像是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，和具有启示意义的量子物质形式。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，要将分子气体冷却到超低温度却是很困难的。
马克斯普朗克量子光学研究所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。
Xin-Yu Luo
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蒸发冷却——“就像冷却一杯咖啡”
在他们的实验中，研究人员使用了一种由钠钾（NaK）分子组成的气体，这些分子被激光束束缚在一个光学势阱中。为了冷却该气体，研究小组依靠一种长期以来已被证明对冷却原子有效的方法——“蒸发冷却”（evaporative cooling）。
马克斯-普朗克量子光学研究所量子多体系统部门超冷极分子实验室组长Xin-Yu Luo说：“这种方法的工作原理类似于我们熟悉的过程，该过程会导致一杯热咖啡冷却下来。在咖啡中，水分子不断碰撞，从而交换部分动能。如果两个能量特别高的分子发生碰撞，其中一个分子的速度可以快到足以逃离咖啡（它被蒸发出了杯子），另一个分子则以较小的能量保留下来，这就是咖啡逐渐冷却下来的过程。以同样的方式，气体可以被冷却到几纳开尔文——绝对零度（零下273.15摄氏度）之上十亿分之一度。”
“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进一步稳定。”Luo说，原因在于与非结合的原子相比，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能会粘在一起。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，它们在实验中就失去了作用。”在Xin-Yu Luo的团队中进行研究的Andreas Schindewolf解释说。
近年来，这些困难已被证明是研究的巨大障碍。
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用微波使分子保持距离
为了克服这一障碍，研究人员使用了一个技巧：额外应用一种专门准备的电磁场来作为分子的“能量罩”——这可以防止它们粘在一起。
Andreas Schindewolf
Andreas Schindewolf解释说：“我们使用一个强大的、旋转的微波场创造了这个能量罩，磁场使分子以更高的频率旋转。如果两个分子彼此靠的太近，它们就可以因此交换动能；但与此同时，它们又以这样的方式排列对齐，从而相互排斥并迅速再次分离。”
为了创造一个具有所需特性的微波场，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，分子粘在一起的速率减少了至少一个数量级；此外，在磁场的影响下，分子之间形成了强烈而远距离的电相互作用。结果，它们的碰撞比没有旋转微波场的情况下要频繁得多：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。”Xin-Yu Luo表示。
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激动人心的时刻：超冷极性分子取得突破
产生用于激光冷却和钠原子成像的黄光的钠激光系统。
仅仅三分之一秒后，温度就达到了21纳开尔文。这远远低于临界的“费米温度”。它标志着一个极限，在这个极限以下，量子效应主导着气体的行为，并且物质的“奇异状态”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。”Xin-Yu Luo很高兴地表示，马克斯普朗克的研究人员认为，通过对实验装置进行技术改进，他们可以达到更低的温度。
这一结果可能会对量子效应和量子物质的研究产生深远的影响。
Immanuel Bloch
马克斯普朗克量子光学研究所量子多体系统主任Immanuel Bloch说：“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，并有助于获得更多的新发现。微波辅助冷却不仅为研究物质的特殊状态（如超流体和超固体）开辟了一系列新途径，它还可以在量子技术中发挥作用：例如，在量子计算机中，数据也许可以由超冷分子存储。”
Xin-Yu Luo同时表示：“对于超冷极性分子的研究人员来说，这是真正激动人心的时刻。”
链接：
https://www.mpg.de/19035150/0728-qopt-a-nanokelvin-microwave-freezer-for-molecules-153540-x1?c=2249
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