哥伦比亚大学的研究团队首次在超冷极性分子中实现了玻色-爱因斯坦凝聚态。研究团队克服了偶极分子强烈和复杂相互作用的挑战，通过创新的屏蔽技术创建了这一集体量子态，其在6纳开尔文下具有约两秒寿命。这一突破性成就为探索偶极量子物质打开了大门，有望为量子模拟和量子计算提供新的途径。该成果于6月3日发表在《自然》杂志上。
© Nature 研究论文以《观察偶极分子的玻色-爱因斯坦凝聚 (Observation of Bose–Einstein condensation of dipolar molecules》为题发表于《自然》杂志
三十年前，物理学家利用光和磁场控制单个原子的集合并将其冷却到超冷温度，创造了一种奇特的玻色-爱因斯坦凝聚态——一种物质粒子共同形成宏观量子波的状态。但是，将方法推广到以复杂方式进行强烈相互作用的对象是具有挑战性的。
量子物理学家对极性分子非常感兴趣。这些分子的电荷在分子键上分布不均匀，从而具有电偶极，它可与其它分子发生长程的偶极相互作用。通过将超冷气体中的两种原子配对或直接冷却分子，世界各地的实验室已经制造出了极性分子的超冷样品。
这些系统的偶极相互作用比那些含有最低能态原子的系统强得多，还显示出由分子的内部旋转和振动引起的更加丰富的行为。然而，这种丰富性也使它们更难控制，因此对由极性分子组成的玻色-爱因斯坦凝聚态的探索在20多年来都未成功。
要形成和冷却稳定的分子系综，一个主要障碍是分子间的碰撞经常导致它们脱离束缚它们的阱（通常由光构建而成）。这是因为分子在碰撞时倾向于“粘”在一起，形成比单个分子更脆弱的双分子复合物。这种复合物若与第三个分子相碰撞，就很容易被挤出束缚阱。
© Nature 极性分子通常被激光捕获，但它们可以形成两体复合物，这些复合物可能在阱中丢失——例如，通过与第三个分子碰撞。
在过去几年里，科学家们通过一种叫做碰撞屏蔽的技术，在控制分子碰撞丢失方面取得了一些成功。这种技术利用静电场来防止分子靠得太近而形成复合物。屏蔽包括调控分子之间的偶极相互作用，从而使它们贴近所需的能量变得非常高。自2018年以来，另一种涉及旋转微波场的方案被提出并实施，微波场作用于分子内态，使得分子靠近时就会相互排斥。
这些屏蔽策略允许物理学家在费米子系统中实现集体量子态。然而，玻色-爱因斯坦凝聚在许多粒子占据单个量子态时才会发生，这种情况只能在玻色子组成的系统中出现。不幸的是，正是量子态的多重占据特性使得玻色子比费米子更容易丢失，这使得玻色-爱因斯坦凝聚难以在极性分子系统中实现。而且，微波屏蔽会通过一种由长程吸引力引起的三体重组过程造成分子丢失，这使得上述困难更加严重。
© Nature 旋转的微波场通过使偶极旋转和改变其相互作用，使它们在近距离内强烈排斥，从而阻止两体复合物的形成。然而，远距离的吸引力仍然存在，这会经由被称为三体重组的过程引起分子丢失。
通过调整和改进微波屏蔽策略，研究团队克服了这个问题，实现了极性分子的玻色-爱因斯坦凝聚。研究团队使用了两个而非以往的一个微波场，即一个旋转场和一个振荡场。双场方案允许团队通过减弱长程吸引力来抑制由两体复合物形成以及三体重组引起的损失。在双场屏蔽条件下，超冷分子仍然相互作用但并不强烈，导致了在这种弱相互作用气体中，各向同性排斥作用（称为接触相互作用），具有与各向异性偶极相互作用相近的强度，为形成传统的玻色-爱因斯坦凝聚创造了有利条件。
© Nature 研究团队引入了第二个振荡微波场，通过减弱远程吸引力来防止三体损失，同时降低了总体相互作用强度，从而能够在极性分子气体中形成首个玻色-爱因斯坦凝聚态。
研究团队首先将超冷的钠(Na)和铯(Cs)原子聚集在一起，形成由3万个NaCs分子组成的气体，这些分子没有如振动或旋转的内部激发。然后，他们应用了两个微波场并使用蒸发冷却技术，在6纳开尔文的温度下形成含有200个分子的玻色-爱因斯坦凝聚态，其典型密度为每立方厘米1012个分子，且具有约两秒钟的寿命。这种分子凝聚态的大小和密度与原子凝聚态相比稍低，后者通常包含几十万个原子且密度为每立方厘米1014个原子。然而，尽管分子气体具有较低的密度，气体参数表明分子和原子系统在相互作用强度方面是相似的。
现在研究人员面临的一个关键挑战是使系统中的分子间产生强烈的相互作用，克服这一挑战将开启创造新物态的可能性，或模拟迄今仍无法实现的量子行为。虽然相互作用本身的强度可以很容易地通过修改屏蔽来调整，但这种强相互作用系统的稳定性仍然未知。
论文链接：
https://www.nature.com/articles/s41586-024-07492-z
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