新型“冰箱”超冷分子达到纳米凯尔文温度

多年来，科学家们一直在寻找将分子冷却到超高温度的方法，在这种温度下，分子应该会慢得像爬行一样，从而让科学家能够精确地控制它们的量子行为。这将使研究人员能够使用分子作为量子计算的复杂位元，调整像微小旋钮这样的单个分子，一次执行多个计算流。

尽管科学家们已经对原子进行了超冷处理，但对分子进行同样的处理却是一个更大的挑战，因为分子的行为和结构更加复杂。

现在，麻省理工学院的物理学家们找到了一种方法，可以将锂钠分子的温度降低到2000亿分之一开尔文，比绝对零度高一点点。他们采用了一种叫做碰撞冷却的技术，他们将冷的锂钠分子浸入由更冷的钠原子组成的云中。超冷原子充当制冷剂，进一步冷却分子。

碰撞冷却是一种标准的技术，用来冷却原子使用其他更冷的原子。十多年来，研究人员一直试图用碰撞冷却法对大量不同的分子进行超冷，结果却发现，当分子与原子碰撞时，它们交换能量的方式是分子在这个过程中被加热或破坏，这被称为“糟糕的”碰撞。

在他们自己的实验中，麻省理工学院的研究人员发现，如果让钠锂分子和钠原子以同样的方式自旋，他们可以避免自毁，而是进行“良性”碰撞，即原子以热的形式带走分子的能量。研究小组利用精确的磁场控制和一个复杂的激光系统来设计分子的旋转和旋转运动。结果，原子-分子混合物有一个高比率的好与坏的碰撞，并从2微凯尔温冷却到220纳米凯尔温。

“碰撞冷却一直是冷却原子的主力，”诺贝尔奖得主、麻省理工学院(MIT)物理学教授沃尔夫冈•凯特尔(Wolfgang Ketterle)补充道。“我不相信我们的计划会成功，但既然我们不确定，我们就必须试一试。我们现在知道它可以用来冷却钠锂分子。它是否适用于其他种类的分子还有待观察。”

他们的发现发表在今天的《自然》杂志上，标志着研究人员首次成功地利用碰撞冷却将分子冷却到纳米克尔文温度。

Ketterle论文的合著者包括哈佛大学物理系研究生Hyungmok Son、麻省理工学院物理系研究生Juliana Park、滑铁卢大学物理学教授、麻省理工学院电子研究实验室访问科学家Alan Jamison。

达到超低温度

过去,科学家们发现,当他们试图冷静下来超冷分子通过周围温度更冷原子,原子的粒子碰撞这样的额外的能量或旋转分子,把他们飞出的陷阱,通过化学反应或毁在一起。

麻省理工学院的研究人员想知道，具有相同自旋的分子和原子是否可以避免这种效应，从而保持超高的稳定性。他们希望用钠锂来验证他们的想法。钠锂是一种“双原子”分子，凯特尔的团队经常用它来做实验，它由一个锂原子和一个钠原子组成。

“钠锂分子与人们尝试过的其他分子有很大的不同，”Jamison说。许多人认为，这些差异会使降温更不可能起作用。然而，我们有一种感觉，这些差异可能是有利的，而不是不利的。”

研究人员对一个由20多束激光和各种磁场组成的系统进行了微调，将钠和锂原子困在真空室中，并将其冷却到大约2微开尔文的水平。

一旦研究人员能够制造出足够多的分子，他们就会发射特定频率和极化的激光束来控制分子的量子状态，并仔细调整微波场，使原子以与分子相同的方式自旋。“然后我们让冰箱变得越来越冷，”Son说，他指的是围绕在新形成的分子云周围的钠原子。“我们降低了捕获激光的功率，使光阱变得越来越松，从而降低了钠原子的温度，进一步使分子冷却到2000亿分之一开尔文。”

研究小组观察到这些分子能够在超高温下保持一秒钟。“在我们的世界里，一秒钟是很长的，”Ketterle说。“你想用这些分子做的是量子计算和探索新材料，这些都可以在不到一秒的时间内完成。”

如果这个团队能让钠锂分子的温度比目前的温度低5倍，他们就会达到所谓的量子简并状态，即单个分子变得难以分辨，它们的集体行为由量子力学控制。孙和他的同事们有一些实现这一目标的想法，这将涉及数月的工作来优化他们的设置，以及获得一个新的激光集成到他们的设置。

“我们的工作将导致我们的社区讨论为什么碰撞冷却对我们有用而对别人没用，”Son说，“也许我们很快就能预测其他分子是如何用这种方式冷却的。”

这项研究的部分资金来自美国国家科学基金会(National Science Foundation)、美国宇航局(NASA)和三星奖学金(Samsung Scholarship)。