微波屏蔽产生超冷偶极分子

大约一个世纪前，物理学家萨蒂延德拉·纳斯·玻色和阿尔伯特·爱因斯坦预测了一种物质的理论状态，在这种状态下，单个粒子在极冷的温度和低密度下会凝结成一个难以区分的整体。这些所谓的玻色-爱因斯坦凝聚体(BEC)将为量子力学的微观世界提供宏观视角。

1995年，理论BEC成为实验现实，创造BEC的物理学家因此获得了诺贝尔奖。从那时起，世界各地的实验室——甚至太空中的实验室——就一直在创造它们。

迄今为止，所有用于提出量子力学基本问题的BEC都是由原子制成的。事实证明，要使分子足够冷以接近BEC状态(将其悬停在绝对零以上一定程度)并保持分子稳定足够长的时间以进行实验要困难得多。

哥伦比亚大学物理学家塞巴斯蒂安·威尔(SebastianWill)说：“二十年来，一直有人提出如何利用稳定的超冷分子，但实验方面一直很困难，因为分子样本的寿命很短。”超冷原子和分子。

创造超冷分子气体的科学在微波的帮助下不断升温。去年，慕尼黑的研究人员使用微波帮助冷却费米子分子样本。费米子是宇宙中基本粒子类型之一。威尔和他的实验室现在已经实现了慕尼黑研究人员与玻色子合作的补充步骤。

威尔的团队在《自然物理学》上撰文，利用定制天线发射的微波，将钠铯分子玻色子气体的寿命从几毫秒延长到一秒以上，这是冷却它们的关键的第一步。通过使用更持久的样品，他们将温度降至36纳开尔文，略低于分子形成BEC所需的温度。

Will实验室使用的技术是由荷兰拉德堡德大学理论物理学家TijsKarman提出的，他也是这篇论文的合作者。微波是一种使分子旋转的电磁辐射。如果所涉及的分子是您放入厨房微波炉中的东西中的水分子，那么这种运动会产生摩擦，最终加热食物。

如果它们是物理实验室中的钠铯，微波会形成一个屏障，防止分子相互粘连并从样品中丢失。一旦固定到位，分子就可以成功地进行蒸发冷却。这与吹一杯热咖啡的过程类似：除去顶层的“热”分子后，剩余的分子重新加热到较低的温度。

过去五年来，威尔的实验室一直在建造实验装置来制造超冷钠铯气体。他们利用钠原子和铯原子的超冷气体组装超冷钠铯分子的结果发表在今年早些时候由博士后伊恩·史蒂文森领导的一篇论文《物理评论快报》上。

“组装超冷分子是一项巨大的技术挑战，但之前其他分子已经证明了这一点，”他说。“我们真正的目标是做一些新的事情，而希望创造分子BEC的微波屏蔽从根本上来说是全新的。”

虽然要达到BEC温度仍有工作要做，但该实验室的超冷钠铯分子是探索基础物理的令人兴奋的新平台。“当我们变得更冷时会发生什么，这是一个很大的问号，”物理学博士尼科洛·比加利说。哥伦比亚大学的学生，也是当前工作的第一作者。“考虑到这些分子的复杂性，我们正在研究全新的物理学。”

威尔解释说，钠铯是实验室中一种有趣的分子，因为它是一种具有大偶极矩的玻色子。玻色子和费米子之间的区别在于它们所谓的量子自旋：费米子以半整数自旋，而玻色子以整数自旋。这是一种统计差异，使得两种类型的粒子表现完全不同。偶极矩是分子不同部分之间电荷差异的度量，这反过来又影响分子在不同距离处与其他分子相互作用的方式。

与目前大多数探索原子和分子相互接触时会发生什么的实验相比，偶极相互作用的复杂性提高了一步。钠铯的偶极矩也位于目前物理学中两个流行平台的偶极矩之间：磁性原子，它可以产生物质的新相，但相互作用相对较弱，以及里德伯原子，它已用于量子模拟和量子计算的寿命很短，不稳定，而且相互作用几乎太强。

威尔说：“利用钠铯分子，我们也许能够调整到迄今为止其他实验无法做到的状态。”它们的超冷分子还可以帮助实验室研究量子物理问题，例如特殊类型的超流动性，以及经典物理问题，例如分子在长距离相互作用的气体热力学。

所有这些潜在的研究途径将使威尔实验室忙于超冷钠铯研究。“在我们迄今为止达到的温度下，我们看到了许多新物理学的出现，”威尔说。“即使在获得BEC之前，还有很多东西需要探索。”