由德国马克斯普朗克量子光学研究所和中国科学院组成的联合研究团队成功填充并稳定了一种新型分子——场联四原子分子，首次实验证明了其存在。研究团队创建了134nk下的弱结合四原子分子，该温度比此前实现的四原子分子低3000多倍。该研究提供了一种组装弱束缚超冷多原子分子的通用方法，代表了奇异超冷物质研究的重要一步。该成果于1月31日发表于《自然》杂志。
© Nature 研究论文以《超冷场联四原子分子(Ultracold field-linked tetratomic molecules)》为题发表于《自然》杂志。
超冷多原子分子含有丰富的内部结构，为冷化学、精密测量和量子信息处理提供了令人兴奋的新可能性。然而，与双原子分子相比，它们的高复杂性对传统冷却技术（如直接激光冷却和蒸发冷却）提出了重大挑战。在约20年前，物理学家就预言了极性分子之间的一种新型结合方式：如果分子携带不对称分布的电荷，那么它们可以在电场中结合，从而形成弱束缚的“超分子”。在特定条件下，极性分子可以通过电作用力形成独特的束缚态，它们紧紧抱在一起的同时又保持着一定的距离。超分子的束缚态比典型的化学键要弱得多，但同时超分子的键长比普通分子化学键要长几百倍。由于这种远距离性质，超分子是高度敏感的：如果电场的参数在临界值上发生了很小的改变，分子之间的作用力也会发生巨大的变化——这种现象被称为“场联共振”。这使得研究人员能够在微波场中灵活地改变分子的形状和大小。
两个双原子分子处于分子间电势，图中的铁粉表示两个分子结合的电场线。
图片来源:©Christoph Hohmann, MCQST
研究人员在微波修饰的极性分子构成的简并费米气体中，通过场联共振实现了一种创建弱结合超冷多原子分子的方法（电联结合）。从基态NaK分子出发，研究人员创建了约1.1×103个弱结合的四原子(NaK)2分子，其相空间密度为0.040(3)，温度为134(3) nK，比之前实现的四原子分子温度低3000多倍。实验观察到，在没有光学偶极阱的存在下，四聚体在自由空间中的最大寿命为8(2)毫秒，表明这些四聚体在碰撞上是稳定的。此外，研究人员通过微波场调制直接成像解离的四聚体，以探测它们在动量空间中波函数的各向异性。实验结果展示了一种从较小的极性分子组装弱结合超冷多原子分子的通用工具，是实现多原子分子的玻色-爱因斯坦凝聚（BEC）以及从偶极BCS超流到四聚体的BEC的新交叉点的关键步骤。此外，长寿命的场联状态为确定性光学转移到深绑定的四聚体态提供了理想的起点。
该论文的通讯作者Xin-Yu Luo表示说：“我们的下一个目标是进一步冷却这些玻色子超分子，形成分子集体移动的BEC。这一前景对量子物理学的基本理解具有重要的潜力。更令人惊奇的是，通过简单调整微波场，超分子的BEC可以转化为保持了p波对称性的费米子分子所构成的新型量子流体。”
论文链接：
https://www.nature.com/articles/s41586-023-06986-6
报道链接：
https://phys.org/news/2024-01-tetratomic-supermolecules-nanokelvin-temperatures.html