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1 μK）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（Bose-Einstein Condensation，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Xin-Yu Luo 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21 nK 。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＂，Xin-Yu Luo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Andreas Schindewolf 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＂，Andreas Schindewolf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＂microwave shielding（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σ-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800 nK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~21 nK，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0.6 s。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Immanuel Bloch 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。
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
参考文献：
[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, 王大军，超冷极性分子. 物理学报 , 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