威爾實驗室使用一系列激光器和光學元件作為冷卻實驗的一部分。圖片來源：哥倫比亞大學

科技日報記者?張夢然

這是一個實驗室的夢想成真，也是超冷研究界數十年來的夢想成真。

美國哥倫比亞大學物理學家塞巴斯蒂安·威爾的實驗室6月宣布，他們在荷蘭拉德堡德大學理論學家蒂斯·卡曼的支持下，成功地由分子創(chuàng)造出一種獨特的物質量子態(tài)，即玻色-愛因斯坦凝聚態(tài)（BEC）。

此前，BEC已經是公認的“物質第五態(tài)”。但這個BEC格外讓物理學界震驚，因為它不再是原子的，而是由分子制成，冷卻至僅5納開爾文，穩(wěn)定時間長達兩秒。《自然》雜志在最新一篇報道中稱，與水分子一樣，這些分子也是極性的，這意味著它們既帶正電荷，又帶負電荷。這種電荷的不平衡分布促進了長距離相互作用，能產生不可思議的物理現象。

“從理解真正的基礎物理學，到推進強大的量子模擬，分子BEC開辟了全新的研究領域。”威爾說，“這是一項令人興奮的成就，但它只是一個開始。”

超冷分子，百年之計

對BEC的科學研究可追溯到一個世紀前，當時物理學家薩蒂延德拉·納特·玻色和阿爾伯特·愛因斯坦提出了這一理論。在1924年和1925年發(fā)表的一系列論文中，他們預測，一組冷卻到接近靜止狀態(tài)的粒子，會合并成一個更大的超實體，具有由量子力學定律決定的共同屬性和行為，這會是探索量子力學的絕佳平臺。

第一個原子BEC是在1995年創(chuàng)建的。這一成就于2001年獲得了諾貝爾物理學獎，當時威爾剛剛開始在德國美因茨大學學習物理學。這些原子BEC擴展了人們對物質波動性和超流體等概念的理解，并推動了量子氣體顯微鏡和量子模擬器等技術的發(fā)展。

但從宏觀上看，原子相對簡單。它們是圓形物體，通常不具有極性可能產生的相互作用。自從第一個原子BEC被實現以來，科學家一直想用分子制造更復雜的版本。但即使是由兩個不同元素的原子結合在一起制成的簡單雙原子分子，也很難冷卻到形成BEC所需的溫度。

突破發(fā)生在2008年，當時物理學家成功地將鉀銣分子氣體冷卻至約350納開爾文。但要跨越BEC門檻，需要更低的溫度。

直到2023年，威爾實驗室利用激光冷卻和磁操縱相結合的方法，制造出分子鈉銫的第一種超冷氣體，而為了進一步降低溫度，他們引入了微波。

想要更冷，就用微波

微波是一種電磁輻射。20世紀30年代，物理學家伊西多·艾薩克·拉比在微波研究方面作出了開創(chuàng)性工作，他在1944年獲得了諾貝爾物理學獎。但拉比不僅是微波研究的先驅，也是最早控制分子量子態(tài)的人之一。

對于大多數人來說，只熟悉微波在加熱食物中所起的作用。事實上，微波還能促進冷卻：單個分子傾向于相互碰撞，從而形成更大的復合物，然后從樣品中“消失”。而微波可在每個分子周圍形成小屏障，防止它們發(fā)生碰撞。

這正是威爾團隊的荷蘭合作者卡曼提出的想法。在分子免受有損碰撞影響的情況下，只有最熱的分子會優(yōu)先從樣品中去除，留下來的分子會更冷，樣品的整體溫度會下降。

2023年秋，威爾團隊在《自然·物理學》上發(fā)表研究引入了微波屏蔽方法，幾乎創(chuàng)造了分子BEC。但還需要進行另一個實驗，也就是添加第二個微波場，讓冷卻變得更加高效。最終，“鈉銫分子”跨越了BEC門檻。

量子物理，前景可期

超冷科學的先驅者之一、美國科羅拉多大學教授葉軍認為，這一成果非常出色，也“將對許多科學領域產生重要影響，包括量子化學研究和強關聯量子材料的探索”。他評論稱，“威爾的實驗以精確控制分子相互作用為特色，引導系統朝著預期結果發(fā)展，這是量子控制技術的一項了不起的成就。”

目前，有幾十種理論預測可用分子BEC進行實驗測試。此前大多數超冷實驗在一秒鐘內就能完成，有些短至幾毫秒，但威爾實驗室的分子BEC持續(xù)時間長達兩秒。這種穩(wěn)定性將真正促進研究量子物理學中的未解問題。

譬如，制造人造晶體，即將BEC困在激光制成的光學晶格中。這將使科學家實現強大的量子模擬，這也是凝聚態(tài)物理學的一個重點領域。量子模擬器通常由原子制成，但原子只有短程相互作用，這限制了它們模擬更復雜材料的能力，分子BEC將改寫這一切。

又譬如，在二維系統中使用BEC。“當從三維變成二維時，新物理學就會出現”，二維材料已是當今一個主要研究領域，擁有由分子BEC組成的相關模型系統，可幫助科學家在實驗室探索超導性、超流體性等量子現象。

威爾和他的團隊相信，一個充滿可能性的物理全新世界正在展現。