分子进入超冷极限世界

这是一个实验室的梦想成真，也是超冷研究界数十年来的梦想成真。

美国哥伦比亚大学物理学家塞巴斯蒂安·威尔的实验室6月宣布，他们在荷兰拉德堡德大学理论学家蒂斯·卡曼的支持下，成功地由分子创造出一种独特的物质量子态，即玻色-爱因斯坦凝聚态（BEC）。

此前，BEC已经是公认的“物质第五态”。但这个BEC格外让物理学界震惊，因为它不再是原子的，而是由分子制成，冷却至仅5纳开尔文，稳定时间长达两秒。《自然》杂志在最新一篇报道中称，与水分子一样，这些分子也是极性的，这意味着它们既带正电荷，又带负电荷。这种电荷的不平衡分布促进了长距离相互作用，能产生不可思议的物理现象。

“从理解真正的基础物理学，到推进强大的量子模拟，分子BEC开辟了全新的研究领域。”威尔说，“这是一项令人兴奋的成就，但它只是一个开始。”

超冷分子，百年之计

对BEC的科学研究可追溯到一个世纪前，当时物理学家萨蒂延德拉·纳特·玻色和阿尔伯特·爱因斯坦提出了这一理论。在1924年和1925年发表的一系列论文中，他们预测，一组冷却到接近静止状态的粒子，会合并成一个更大的超实体，具有由量子力学定律决定的共同属性和行为，这会是探索量子力学的绝佳平台。

第一个原子BEC是在1995年创建的。这一成就于2001年获得了诺贝尔物理学奖，当时威尔刚刚开始在德国美因茨大学学习物理学。这些原子BEC扩展了人们对物质波动性和超流体等概念的理解，并推动了量子气体显微镜和量子模拟器等技术的发展。

但从宏观上看，原子相对简单。它们是圆形物体，通常不具有极性可能产生的相互作用。自从第一个原子BEC被实现以来，科学家一直想用分子制造更复杂的版本。但即使是由两个不同元素的原子结合在一起制成的简单双原子分子，也很难冷却到形成BEC所需的温度。

突破发生在2008年，当时物理学家成功地将钾铷分子气体冷却至约350纳开尔文。但要跨越BEC门槛，需要更低的温度。

直到2023年，威尔实验室利用激光冷却和磁操纵相结合的方法，制造出分子钠铯的第一种超冷气体，而为了进一步降低温度，他们引入了微波。

想要更冷，就用微波

微波是一种电磁辐射。20世纪30年代，物理学家伊西多·艾萨克·拉比在微波研究方面作出了开创性工作，他在1944年获得了诺贝尔物理学奖。但拉比不仅是微波研究的先驱，也是最早控制分子量子态的人之一。

对于大多数人来说，只熟悉微波在加热食物中所起的作用。事实上，微波还能促进冷却：单个分子倾向于相互碰撞，从而形成更大的复合物，然后从样品中“消失”。而微波可在每个分子周围形成小屏障，防止它们发生碰撞。

这正是威尔团队的荷兰合作者卡曼提出的想法。在分子免受有损碰撞影响的情况下，只有最热的分子会优先从样品中去除，留下来的分子会更冷，样品的整体温度会下降。

2023年秋，威尔团队在《自然·物理学》上发表研究引入了微波屏蔽方法，几乎创造了分子BEC。但还需要进行另一个实验，也就是添加第二个微波场，让冷却变得更加高效。最终，“钠铯分子”跨越了BEC门槛。

量子物理，前景可期

超冷科学的先驱者之一、美国科罗拉多大学教授叶军认为，这一成果非常出色，也“将对许多科学领域产生重要影响，包括量子化学研究和强关联量子材料的探索”。他评论称，“威尔的实验以精确控制分子相互作用为特色，引导系统朝着预期结果发展，这是量子控制技术的一项了不起的成就。”

目前，有几十种理论预测可用分子BEC进行实验测试。此前大多数超冷实验在一秒钟内就能完成，有些短至几毫秒，但威尔实验室的分子BEC持续时间长达两秒。这种稳定性将真正促进研究量子物理学中的未解问题。

譬如，制造人造晶体，即将BEC困在激光制成的光学晶格中。这将使科学家实现强大的量子模拟，这也是凝聚态物理学的一个重点领域。量子模拟器通常由原子制成，但原子只有短程相互作用，这限制了它们模拟更复杂材料的能力，分子BEC将改写这一切。

又譬如，在二维系统中使用BEC。“当从三维变成二维时，新物理学就会出现”，二维材料已是当今一个主要研究领域，拥有由分子BEC组成的相关模型系统，可帮助科学家在实验室探索超导性、超流体性等量子现象。

威尔和他的团队相信，一个充满可能性的物理全新世界正在展现。