多年来,科学家一直在寻找将分子冷却至超低温度的方法,此时分子运动缓慢,从而使科学家能够精确控制其量子行为。这可能使研究人员能够将分子用作复杂的位进行量子计算,从而像微小的旋钮一样调节单个分子,一次执行多个计算流。

尽管科学家已经实现了过冷原子,但对行为和结构更复杂的分子来说,这是更大的挑战。

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现在,麻省理工学院的物理学家已经找到了一种方法,可以将钠锂分子冷却到开尔文的2000亿分之一,仅比绝对零度高一点。他们通过应用一种称为碰撞冷却的技术来做到这一点,在该技术中,他们将钠锂分子浸入钠原子甚至更冷的云中。所述超冷原子充当更进一步冷却分子的制冷剂

碰撞冷却是用于使用其他较冷原子冷却原子的标准技术。十多年来,研究人员试图通过碰撞冷却来实现不同分子的过冷,结果发现,当分子与原子碰撞时,它们交换能量的方式是使分子在此过程中被加热或破坏。这是“不良”的碰撞。

在他们自己的实验中,麻省理工学院的研究人员发现,如果让钠锂分子和钠原子以相同的方式旋转,它们可以避免自毁,而发生“良好”的碰撞,使原子以热的形式带走分子能量。该团队使用精确的磁场控制和复杂的激光系统来编排分子的自旋和旋转运动。结果,原子-分子混合物具有较高的“良好”碰撞比率,并从2微开尔文冷却到220纳米开尔文。

“碰撞冷却一直是冷却原子的主力军,”麻省理工学院John D. Arthur教授说,“我不敢相信我们的方案会奏效,但是由于我们不确定,我们必须尝试一下。我们现在知道它可以冷却钠锂分子。它是否适用于其他种类的分子仍然待观察。”

他们的发现发表在《Nature》杂志上,标志着研究人员首次成功地使用碰撞冷却将分子冷却至纳米开尔文温度。

过去,科学家发现,当他们试图通过用更冷的原子包围分子将分子冷却至超冷温度时,粒子发生碰撞,从而使原子赋予了分子更多的能量或旋转,使它们飞离陷阱,或者通过化学反应一起自我毁灭。麻省理工学院的研究人员想知道,具有相同自旋的分子和原子是否可以避免这种影响,并因此保持超冷和稳定。他们希望用钠锂来测试他们的想法,钠锂是Ketterle小组定期进行实验的一种“ diadiamic”分子,由一个锂和一个钠原子组成。

Jamison说:“钠锂分子与人们尝试过的其他分子有很大的不同。许多人认为这些差异将使冷却工作的可能性降低。但是,我们感到这些差异可能是一种优势,而不是有害。”

研究人员对一个由20多个激光束和各种磁场组成的系统进行了微调,以在真空室内将钠和锂的原子俘获并冷却,冷却至大约2微开尔文,这一温度对于其结合成钠锂分子是最优的。

一旦研究人员能够产生足够的分子,他们就会发出特定频率和偏振的激光束,以控制分子的量子态,并仔细调谐微波场,使原子以与分子相同的方式旋转。Jamison说:“然后,我们使冰箱变得越来越冷。”他指的是围绕新形成的分子云的原子。“我们降低了捕获激光器的功率,使光阱变得越来越松散,这使原子的温度下降,并使分子进一步冷却至2000亿分之一开尔文。”

该小组观察到这些分子能够在这些超冷温度下停留长达一秒钟。Ketterle说:“在我们这个世界上,一秒钟很长。您想要对这些分子进行的工作是量子计算和探索新材料,所有这些都可以在不到一秒钟的时间内完成。”

如果研究小组能使钠锂分子的温度比已达到的温度低五倍,那么它们将达到所谓的量子简并状态,其中单个分子变得难以区分,并且其集体行为受量子力学控制。Jamison和他的同事对如何实现此目标有一些想法,这将涉及数月的工作来优化其设置,以及购买新的激光器以集成到其设置中。

Jamison说:“我们的工作将引起我们社区的讨论,为什么碰撞冷却对我们有用,而不对其他人有用。也许我们很快就会预测到如何以这种方式冷却其他分子。”