马克斯普朗克量子光学研究所的Garching 团队开发了一种用于分子气体的新型冷却技术，技巧是基于旋转的微波场，这有助于在冷却过程中通过能量屏障阻止分子之间的非弹性碰撞。通过这种方式，他们成功地将钠钾分子气体冷却到绝对零度以上的十亿分之一度，创造了新的低温记录。该研究成果于7月27日发表在《自然》杂志上。
超冷极性分子具有强电偶极矩和丰富的内部结构，这使其成为探索奇异量子物质、实施量子信息方案和测试自然界基本对称性的理想构件。实现它们的全部潜力需要将相互作用的分子气体深深地冷却到量子简并态。但主动冷却到量子简并态仍然具有挑战性。超冷分子有效蒸发冷却的主要障碍是它们的快速碰撞损失。即使是名义上对化学反应稳定的分子，当它们到达短程时也会发生非弹性碰撞。最近，通过施加强直流电场并将分子运动限制在二维，有效地防止了沿第三维的吸引碰撞，40K87Rb的分子气体被稳定并蒸发冷却到费米温度以下。对于三维的分子，通过使用特定的直流电场使碰撞分子的旋转状态相互共振，已经证明了碰撞损失的减少。然而，由于弹性-非弹性碰撞比率低，以及初始相位密度相对较低，试图通过碰撞冷却产生极性分子的简并量子气体，到目前为止在三维中仍然不成功。
在这项工作中，Garching 团队对23Na40K分子的费米量子气体施加圆偏振微波场，诱导快速弹性偶极碰撞，同时强烈抑制所有的非弹性碰撞。弹性碰撞率随着有效偶极矩的增加而急剧增加，偶极矩可以通过微波功率和失谐量进行调整。在适当的条件下，研究发现弹性碰撞速率可以比非弹性碰撞速率大500倍左右，甚至可以使分子气体进入流体动力学状态。他们将三维近似简并的分子样品蒸发到21（5） nK，对应于临界费米温度的36（9）%，位于量子简并区深处。在如此低的温度下，分子之间的非弹性碰撞速率变得可以忽略不计，导致简并分子样品的寿命高达0.6s。Luo高兴地说：“我们达到的温度是迄今为止极性分子气体中的最低温度”。这位研究人员认为，通过对实验装置的技术改进，他们可以达到更低的温度。
这些结果可能会对量子效应和量子物质的研究产生深远的影响。马克斯-普朗克量子光学研究所量子多体系统部主任Bloch说：“由于新的冷却技术非常简单，它也可以被整合到大多数具有超冷极性分子的实验装置中，该方法应该很快找到广泛的应用，并有助于获得相当多的新发现。微波辅助冷却不仅为研究物质的特殊状态（如超流体和超固体）开辟了一系列新途径。还可以在量子技术中发挥作用”。例如，在量子计算机中，数据也许可以由超冷分子存储。
论文链接：
https://www.nature.com/articles/s41586-022-04900-0
报道链接：
https://www.mpg.de/19035150/0728-qopt-a-nanokelvin-microwave-freezer-for-molecules-153540-x1?c=2249