哥倫比亞大學的物理學家將分子冷卻到新的極限，創造了一個量子力學主導的物質狀態。
紐約最冷的實驗室里出現了一個新的熱門BEC(玻色-愛因斯坦凝聚態)，這與早餐三明治無關。你不會在當地的便利店找到它，而是在哥倫比亞大學物理學家Sebastian Will的實驗室里。他的實驗團隊專注於將原子和分子冷卻到接近絕對零度的溫度。
在《自然》雜誌上，Will的實驗室與荷蘭拉德堡德大學的理論合作夥伴Tijs Karman合作，成功地用分子創造了一種獨特的量子物質狀態，稱為玻色-愛因斯坦凝聚態(BEC)。
他們的BEC被冷卻到僅五納開爾文(約-459.66華氏度)，並能穩定保持驚人的兩秒鐘，由鈉和銫分子組成。像水分子一樣，這些分子是極性的，攜帶正電和負電荷。電荷分布不均促進了長距離相互作用，這使得物理現象更加有趣，Will指出。
Will實驗室對他們的分子BEC研究充滿了期待，包括探索多種不同的量子現象，如新的超流體狀態——一種無需摩擦即可流動的物質狀態。他們還希望將他們的BEC變成模擬器，重現更複雜材料(如固體晶體)的神秘量子特性。
「分子玻色-愛因斯坦凝聚態開啟了全新的研究領域，從理解基礎物理學到推進強大的量子模擬，」他說。「這是一個令人興奮的成就，但實際上只是一個開始。」
對於Will實驗室來說，這是一場夢想成真，而對於更廣泛的超冷研究社區來說，這已經是幾十年的努力成果。
超冷分子，一世紀的探索
BEC的科學可以追溯到一個世紀前，物理學家Satyendra Nath Bose和Albert Einstein。在1924年和1925年發表的一系列論文中，他們預測，一組被冷卻到近乎靜止的粒子將聚合成一個更大、更具共同性質的超級實體，其行為由量子力學法則支配。如果能夠創造出BEC，它們將為研究人員提供一個誘人的平台，以比單個原子或分子更易處理的尺度探索量子力學。
從這些最初的理論預測開始，花了大約70年時間，第一批原子BEC在1995年被創造出來。這個成就被授予2001年的諾貝爾物理學獎，就在Will在德國美因茨大學開始物理學研究的時期。如今，實驗室通常用幾種不同類型的原子製備原子BEC。這些BEC擴展了我們對物質波動性和超流體等概念的理解，並導致了量子氣體顯微鏡和量子模擬器等技術的發展。
然而，從宏觀來看，原子相對簡單。它們是圓形的物體，通常沒有極性引起的相互作用。自從第一個原子BEC被實現以來，科學家們一直希望用分子創造更複雜的版本。但即使是由兩種不同元素的原子結合而成的簡單雙原子分子，也很難冷卻到形成適當BEC所需的溫度以下。
首個突破出現在2008年，當時科羅拉多州博爾德市JILA的物理學家Deborah Jin和Jun Ye將鉀-銣分子氣體冷卻到約350納開爾文。這種超冷分子在近年來被證明對執行量子模擬、研究分子碰撞和量子化學非常有用，但要跨越BEC門檻，還需要更低的溫度。
2023年，Will實驗室使用類似於Jin和Ye的方法，通過雷射冷卻和磁性操控，創造了他們所選擇的鈉-銫分子超冷氣體。為了達到更低的溫度，他們引入了微波。
更冷：加入微波
微波是哥倫比亞大學歷史悠久的一種電磁輻射形式。20世紀30年代，物理學家Isidor Isaac Rabi(後來的諾貝爾獎獲得者)在微波方面開展了開創性工作，導致了機載雷達系統的發展。「Rabi是第一批控制分子量子態的人之一，也是微波研究的先驅，」Will說。「我們的工作延續了那長達90年的傳統。」
雖然你可能熟悉微波在加熱食物中的作用，但事實證明它們也可以促進冷卻。單個分子傾向於相互碰撞，結果會形成更大的複合體並從樣本中消失。微波可以在每個分子周圍形成小屏障，防止它們碰撞，這是他們在荷蘭的合作者Karman提出的一個想法。由於分子在防止碰撞的屏障保護下，只有最熱的分子才能優先從樣本中移除——這與當你沿著咖啡杯頂部吹氣時冷卻咖啡的物理原理相同，解釋了作者Niccolò Bigagli。剩下的分子會更冷，整體樣本的溫度也會下降。
去年秋天，團隊在《自然物理》上發表的工作中引入了微波屏蔽方法，接近創造分子BEC。但另一種實驗技巧是必要的。當他們添加第二個微波場時，冷卻變得更加有效，鈉-銫最終跨越了BEC門檻——這是Will實驗室自2018年在哥倫比亞大學成立以來一直心懷的目標。
「這對我來說是一個完美的結束，」Bigagli說，他今年春天獲得了物理學博士學位，是實驗室的創始成員之一。「我們從沒有實驗室到這些了不起的成果。」
除了減少碰撞，第二個微波場還可以操控分子的取向。這反過來是一種控制它們相互作用的手段，實驗室目前正在探索這一點。「通過控制這些偶極相互作用，我們希望創造新的量子狀態和物質相，」哥倫比亞大學博士後研究員、合著者Ian Stevenson說。
位於博爾德的超冷科學先驅Ye認為這些結果是一塊美麗的科學作品。「這項工作將對多個科學領域產生重要影響，包括量子化學的研究和強關聯量子材料的探索，」他評論道。「Will的實驗展示了對分子相互作用的精確控制，以引導系統朝著期望的結果發展——這是量子控制技術的一個非凡成就。」
與此同時，哥倫比亞大學團隊對分子之間相互作用的理論描述得到實驗驗證感到興奮。「我們確實對這個系統中的相互作用有了很好的理解，這對於下一步探索偶極多體物理也是至關重要的，」Karman說。「我們提出了控制相互作用的方案，在理論上測試了這些方案，並在實驗中實現了它們。看到這些微波『屏蔽』的想法在實驗室中實現，真是令人驚嘆。」
現在，有幾十種理論預測可以通過分子BEC進行實驗驗證，合著者、博士生Siwei Zhang指出，分子BEC非常穩定。大多數超冷實驗在一秒內進行——有些甚至短至幾毫秒——但實驗室的分子BEC可以持續兩秒以上。「這真的讓我們能夠研究量子物理中的開放問題，」他說。
一個想法是用雷射製成的光學晶格來捕捉BEC，創造人工晶體。這將使得強大的量子模擬成為可能，模仿自然晶體中的相互作用，Will指出，這是凝聚態物理學的一個重點研究領域。量子模擬器通常由原子製成，但原子具有短程相互作用——它們實際上必須非常接近才能互動——這限制了它們在模擬更複雜材料方面的能力。「分子BEC將引入更多的變化，」Will說。
合著者、博士生Weijun Yuan補充道，這還包括維度。「我們希望在二維系統中使用BEC。當你從三維降到二維時，總是可以期待出現新的物理現象，」他說。二維材料是哥倫比亞大學的一個主要研究領域；擁有一個由分子BEC組成的模型系統可以幫助Will和他的凝聚態同事探索包括超導、超流在內的量子現象。
「似乎一個全新的可能性世界正在展開，」Will說。