在超低溫度下，多原子分子能表現出一系列奇異的性質，為研究精密測量和量子資訊處理等提供新的可能性。
然而，科學家通常用來冷卻單個原子的技術（如鐳射冷卻和蒸發冷卻），對分子的冷卻效果並不好。近年來，在雙原子分子的冷卻領域，科學家已經取得了顯著進展。但對於由許多原子組成的大分子來說，達到超冷狀態仍然具有挑戰性。
在一項新發表於《自然》雜誌的研究中，一個國際研究團隊成功地創造出了一個包含四個原子的分子，並將其冷卻到134納開爾文的溫度。這是迄今為止最冷的多原子分子。
弱束縛的超分子
大約20年前，美國理論物理學家John Bohn和他的同事預測了極性分子之間的一種新型結合：如果分子有著不對稱的電荷分佈，或者說是極性的，那麼它們就可以在電場中結合，形成弱束縛的“超分子”。
這些極性分子的行為可以被視為是堅硬外殼內的羅盤針。當它們靠在一起時，這些羅盤針會受到比地球磁場更強的吸引力，它們會指向彼此，而不是沿南北方向對齊。
那些可以在特定條件下，透過電力形成獨特的束縛態的極性分子，也能表現出一種類似的現象。它們的結合就像是一對跳交誼舞的舞者——他們緊密擁抱，同時又保持一定距離。
“超分子”的束縛態比典型的化學鍵弱得多，但更加長程——比普通分子的鍵長要長數百倍。由於這種長程性質，“超分子”是異常靈敏的：如果電場的引數只在臨界值上發生了一點點改變，分子之間的力也會發生巨大變化——這種現象被稱為“場鏈共振”（field-linked resonance）。這樣的特性使得科學家能夠利用一個微波場來靈活地改變分子的大小和形狀。
四原子分子
近年來，新論文的作者取得了一系列開創性的發現。在2021年，他們發明了一種新的利用大功率旋轉微波場對極性分子進行冷卻的新技術，創造了當時的新低溫紀錄。
一年後，他們又成功地透過實驗，首次創造出了觀測這些分子之間的結合特徵的必要條件。這為證明早就被理論預測的奇異結構的存在提供了首個間接證據。
在新的研究中，研究人員迎來了首個直接證據，表明他們的確能在實驗中創造出這樣的“超分子”。他們從由一個鈉原子（Na）和一個鉀原子（K）組成的NaK分子開始，將它們限制在一個沒有空氣的腔室中。
兩個雙原子分子處於分子間的相互作用勢，圖中鐵屑表示的是表明兩個分子結合的場線。（圖/Christoph Hohmann, MCQST）
接下來，為了將這些雙原子分子變成四原子分子，他們利用一個微波場將分子“粘合”在了一起，形成了所謂的“場鏈四原子分子”。最終，他們在134納開爾文（僅比絕對零度高1.34×10-7）的溫度下，創造了約1100個弱束縛的四原子(NaK)₂分子。這一溫度僅為之前創造的四原子分子的溫度的1/3000。
意義深遠
將分子冷卻到超冷溫度的驅動因素之一是，在極低溫度下，科學家可以對它們有更多的控制。從這個意義上說，這一成果不僅是分子物理學的一項新成就，也是奇異的超冷物質研究的重要一步，它無疑將會產生直接而深遠的影響。
此外，這項實驗所採用的方法得益於場鏈共振的普適性，可以應用於廣泛的分子種類，因此這種方法可被用於探索更多種類的超冷多原子分子，比如更大的多原子分子。
#創作團隊：
撰文：小雨
排版：雯雯
#參考來源：
https://www.mpq.mpg.de/6731485/07-ultracold-microwave-molecules
https://www.mpq.mpg.de/6918275/01-first-tetratomic-supermolecules?c=2342
https://www.nature.com/articles/s41586-023-06986-6
#圖片來源：
封面圖&首圖：Christoph Hohmann, MCQST
