一種奇異的物質狀態變得更加怪異，也更有用。物理學家成功地將分子冷卻到極低的溫度，以至於數百個分子同步鎖定，形成一個巨大的量子態。這些系統可用於探索奇異物理現象，例如透過創造可以無阻力流動的固體材料，或可構成新型量子計算機的基礎。
自 1995 年以來，物理學家已經利用原子製造出類似的態，即玻色-愛因斯坦凝聚態，並利用它們來理解各種量子現象。但他們也一直渴望用穩定的分子製造這種凝聚態。分子之間的相互作用比原子更復雜，為研究和量子技術提供了更豐富的機會。但要將它們冷卻到接近絕對零度以上十億分之一度的溫度以產生凝聚態，也困難得多。
柏林弗裡茨·哈伯研究所的物理學家 Giacomo Valtolina 說：“十多年來，物理學家一直試圖實現分子的玻色-愛因斯坦凝聚態。” 發表在 6 月 3 日《自然》雜誌上的這項研究是“首次實現這一目標”，他說。“這篇論文非常令人興奮。”
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奇異行為
量子物理學家在 20 世紀 20 年代預測，當物質冷卻到接近絕對零度時，會開始表現出奇異的行為。海森堡不確定性原理指出，對粒子動量了解得越精確，對其位置的不確定性就越大。如果物質被冷卻到幾乎靜止，其位置的不確定性就會膨脹。一旦不確定性大於粒子之間的距離，它們就會變得無法區分並重疊，從而佔據單一的最低能量量子態——玻色-愛因斯坦凝聚態。
該系統顯示出可控的宏觀尺度集體量子行為，這使得研究人員可以將其用作模擬現象的場所，例如奇異的磁性和模型黑洞的霍金輻射發射。凝聚態已被用作量子感測器和原子鐘，甚至進入太空。
哥倫比亞大學物理學家 Sebastian Will 說，分子比原子複雜得多，他領導了這項最新的工作。它們可以以原子不可能的方式旋轉和振動，而極性分子（具有帶正電和負電的末端）可以透過電磁力在長距離上相互作用。由於這些長程相互作用“定義了我們周圍物質的性質”，分子凝聚態將使物理學家能夠模擬和理解更廣泛的現象，他說。
但有一個問題。“與原子相比……分子更難控制和冷卻，”伊利諾伊州芝加哥大學的物理學家嚴 Zoe 說。
鬆散結合的結構，即費什巴赫分子，以前曾被誘導成凝聚態。但在穩定的分子中，冷卻的最後階段，即將分子云變成凝聚態，卻被碰撞分子之間的化學反應破壞了。這些相互作用會加熱分子並導致它們逃離分子云，留下太少分子可供使用。
Will 和他的團隊找到了一種方法來防止極性分子云中的這些碰撞，每個極性分子由一個鈉原子和一個銫原子組成。該團隊對分子云施加了兩種不同的微波場，一種使分子旋轉，另一種使分子振盪。這些場共同定向分子，使它們始終相互排斥。“事實證明這絕對至關重要，”Will 說。
這種排斥力阻止了碰撞，使團隊能夠進一步冷卻分子——透過驅逐最熱的分子——而不會損失太多。結果是超過 1,000 個分子的凝聚態，冷卻到絕對零度以上 60 億分之一度。Valtolina 說，玻色-愛因斯坦凝聚態的標誌“已清晰顯示”。
嚴 Zoe 說，這些結果“非常棒”。它們將“真正激勵和刺激冷分子領域的其他成員”。
奇異相
分子玻色-愛因斯坦凝聚態可以以多種方式使用。Valtolina 說，一種可能性是創造奇異的超固體相，在這種相中，剛性材料可以無阻力地流動。到目前為止，這僅在具有磁相互作用的原子氣體中實現——現在可以在極性分子中實現，它們的相互作用“強大得多”，他說。
物理學家還將能夠測試關於這種奇異物質將如何表現的預測。Will 說，透過調整微波場以允許分子之間發生一些相互作用，該團隊預計會看到系統分離成量子液滴，這是一種新的物質相。透過使用雷射將凝聚態限制在二維空間中，該團隊還希望在顯微鏡下觀察分子排列自身，形成一種晶體。“這是以前從未實現過的，”Will 說。
Will 補充說，凝聚態分子還可以構成新型量子計算機的基礎。鑑於每個分子都處於相同的已知狀態，它們可以被分離以形成量子位元，或稱 qubits，即量子計算機中的資訊單位。分子的量子旋轉態（可用於儲存資訊）可以保持穩定長達數分鐘，從而可以進行長時間和複雜的計算。
Will 說，對這篇論文的反應“是我從未經歷過的”。“人們真的很喜歡它的潛力。”
本文經許可轉載，並於 2024 年 6 月 3 日首次發表。