哥伦比亚大学最冷实验室的全新量子突破
来源：煎蛋网
哥伦比亚大学的物理学家将分子冷却到新的极限，创造了一个量子力学主导的物质状态。
纽约最冷的实验室里出现了一个新的热门BEC(玻色-爱因斯坦凝聚态)，这与早餐三明治无关。你不会在当地的便利店找到它，而是在哥伦比亚大学物理学家Sebastian Will的实验室里。他的实验团队专注于将原子和分子冷却到接近绝对零度的温度。
在《自然》杂志上，Will的实验室与荷兰拉德堡德大学的理论合作伙伴Tijs Karman合作，成功地用分子创造了一种独特的量子物质状态，称为玻色-爱因斯坦凝聚态(BEC)。
他们的BEC被冷却到仅五纳开尔文(约-459.66华氏度)，并能稳定保持惊人的两秒钟，由钠和铯分子组成。像水分子一样，这些分子是极性的，携带正电和负电荷。电荷分布不均促进了长距离相互作用，这使得物理现象更加有趣，Will指出。
Will实验室对他们的分子BEC研究充满了期待，包括探索多种不同的量子现象，如新的超流体状态——一种无需摩擦即可流动的物质状态。他们还希望将他们的BEC变成模拟器，重现更复杂材料(如固体晶体)的神秘量子特性。
“分子玻色-爱因斯坦凝聚态开启了全新的研究领域，从理解基础物理学到推进强大的量子模拟，”他说。“这是一个令人兴奋的成就，但实际上只是一个开始。”
对于Will实验室来说，这是一场梦想成真，而对于更广泛的超冷研究社区来说，这已经是几十年的努力成果。
超冷分子，一世纪的探索
BEC的科学可以追溯到一个世纪前，物理学家Satyendra Nath Bose和Albert Einstein。在1924年和1925年发表的一系列论文中，他们预测，一组被冷却到近乎静止的粒子将聚合成一个更大、更具共同性质的超级实体，其行为由量子力学法则支配。如果能够创造出BEC，它们将为研究人员提供一个诱人的平台，以比单个原子或分子更易处理的尺度探索量子力学。
从这些最初的理论预测开始，花了大约70年时间，第一批原子BEC在1995年被创造出来。这个成就被授予2001年的诺贝尔物理学奖，就在Will在德国美因茨大学开始物理学研究的时期。如今，实验室通常用几种不同类型的原子制备原子BEC。这些BEC扩展了我们对物质波动性和超流体等概念的理解，并导致了量子气体显微镜和量子模拟器等技术的发展。
然而，从宏观来看，原子相对简单。它们是圆形的物体，通常没有极性引起的相互作用。自从第一个原子BEC被实现以来，科学家们一直希望用分子创造更复杂的版本。但即使是由两种不同元素的原子结合而成的简单双原子分子，也很难冷却到形成适当BEC所需的温度以下。
首个突破出现在2008年，当时科罗拉多州博尔德市JILA的物理学家Deborah Jin和Jun Ye将钾-铷分子气体冷却到约350纳开尔文。这种超冷分子在近年来被证明对执行量子模拟、研究分子碰撞和量子化学非常有用，但要跨越BEC门槛，还需要更低的温度。
2023年，Will实验室使用类似于Jin和Ye的方法，通过激光冷却和磁性操控，创造了他们所选择的钠-铯分子超冷气体。为了达到更低的温度，他们引入了微波。
更冷：加入微波
微波是哥伦比亚大学历史悠久的一种电磁辐射形式。20世纪30年代，物理学家Isidor Isaac Rabi(后来的诺贝尔奖获得者)在微波方面开展了开创性工作，导致了机载雷达系统的发展。“Rabi是第一批控制分子量子态的人之一，也是微波研究的先驱，”Will说。“我们的工作延续了那长达90年的传统。”
虽然你可能熟悉微波在加热食物中的作用，但事实证明它们也可以促进冷却。单个分子倾向于相互碰撞，结果会形成更大的复合体并从样本中消失。微波可以在每个分子周围形成小屏障，防止它们碰撞，这是他们在荷兰的合作者Karman提出的一个想法。由于分子在防止碰撞的屏障保护下，只有最热的分子才能优先从样本中移除——这与当你沿着咖啡杯顶部吹气时冷却咖啡的物理原理相同，解释了作者Niccolò Bigagli。剩下的分子会更冷，整体样本的温度也会下降。
去年秋天，团队在《自然物理》上发表的工作中引入了微波屏蔽方法，接近创造分子BEC。但另一种实验技巧是必要的。当他们添加第二个微波场时，冷却变得更加有效，钠-铯最终跨越了BEC门槛——这是Will实验室自2018年在哥伦比亚大学成立以来一直心怀的目标。
“这对我来说是一个完美的结束，”Bigagli说，他今年春天获得了物理学博士学位，是实验室的创始成员之一。“我们从没有实验室到这些了不起的成果。”
除了减少碰撞，第二个微波场还可以操控分子的取向。这反过来是一种控制它们相互作用的手段，实验室目前正在探索这一点。“通过控制这些偶极相互作用，我们希望创造新的量子状态和物质相，”哥伦比亚大学博士后研究员、合著者Ian Stevenson说。
位于博尔德的超冷科学先驱Ye认为这些结果是一块美丽的科学作品。“这项工作将对多个科学领域产生重要影响，包括量子化学的研究和强关联量子材料的探索，”他评论道。“Will的实验展示了对分子相互作用的精确控制，以引导系统朝着期望的结果发展——这是量子控制技术的一个非凡成就。”
与此同时，哥伦比亚大学团队对分子之间相互作用的理论描述得到实验验证感到兴奋。“我们确实对这个系统中的相互作用有了很好的理解，这对于下一步探索偶极多体物理也是至关重要的，”Karman说。“我们提出了控制相互作用的方案，在理论上测试了这些方案，并在实验中实现了它们。看到这些微波‘屏蔽’的想法在实验室中实现，真是令人惊叹。”
现在，有几十种理论预测可以通过分子BEC进行实验验证，合著者、博士生Siwei Zhang指出，分子BEC非常稳定。大多数超冷实验在一秒内进行——有些甚至短至几毫秒——但实验室的分子BEC可以持续两秒以上。“这真的让我们能够研究量子物理中的开放问题，”他说。
一个想法是用激光制成的光学晶格来捕捉BEC，创造人工晶体。这将使得强大的量子模拟成为可能，模仿自然晶体中的相互作用，Will指出，这是凝聚态物理学的一个重点研究领域。量子模拟器通常由原子制成，但原子具有短程相互作用——它们实际上必须非常接近才能互动——这限制了它们在模拟更复杂材料方面的能力。“分子BEC将引入更多的变化，”Will说。
合著者、博士生Weijun Yuan补充道，这还包括维度。“我们希望在二维系统中使用BEC。当你从三维降到二维时，总是可以期待出现新的物理现象，”他说。二维材料是哥伦比亚大学的一个主要研究领域；拥有一个由分子BEC组成的模型系统可以帮助Will和他的凝聚态同事探索包括超导、超流在内的量子现象。
“似乎一个全新的可能性世界正在展开，”Will说。