羅鑫宇，於2013年在中國科學院物理研究所獲得博士學位。2013年至2016年在清華大學尤力和鄭盟錕組從事博士後研究工作。2016年他加入馬普量子光學所的Immanuel Bloch組從事博士後研究工作。自2018年起，他開始領導馬普量子光學所的鈉鉀極性分子實驗室。他的研究致力於理解和控制極性分子的超冷碰撞，以製備費米簡併的極性分子氣體，從而研究強偶極相互作用的量子多體系統。他在超冷極性分子實驗領域的代表性工作包括：用微波遮蔽穩定了極性分子的碰撞，並在三維空間將分子氣體蒸發冷卻到了量子簡併狀態；觀測到極性分子的場連線共振現象；成功製備了100 納開爾文的超冷四原子分子氣體。他在Science，Nature，Nature. Physics，PRL等雜誌上發表20餘篇文章。
在過去的一年半內，羅鑫宇領導的研究小組在Nature上連發三篇文章，下面就讓小編帶大家一起了解一下大牛的工作。
1．“微波冰箱”將極性分子冷卻至21納開爾文
自1990年代中期第一個玻色-愛因斯坦凝聚物（被認為是物質的“第五種狀態”）誕生以來，研究人員熱衷於研究分子的超冷氣體，因為它們的行為與原子不同。例如，分子具有振動和旋轉運動，以及強大的電偶極矩，這使得它們能夠根據其相對方向排斥或者吸引其他分子。在極低的溫度下，極性分子的超低溫氣體可以形成量子物質的奇異狀態，如超固體。然而，振動和旋轉運動會導致超冷分子在碰撞時纏結並粘在一起，這使得它們本質上不穩定。除非極性分子被限制在一個或兩個維度上移動，否則它們往往會卡在一起。類似於兩個磁鐵靠近時的情況。這種效應一直是將分子直接冷卻到費米溫度（在這個溫度下，量子效應開始主導分子的行為）以下的主要障礙。
為了防止極性分子粘在一起，必須設計一個能量遮蔽，以防止它們彼此太近。馬克斯·普朗克量子光學研究所羅鑫宇博士透過在鈉鉀極性分子氣體附近使用螺旋天線來產生具有規範圓周運動的微波場，透過使用旋轉微波場來旋轉分子，使其比自然速度略快。當分子彼此靠近時，這種額外的能量迫使它們對齊，使它們相互排斥。這個微波場將分子粘在一起的速度減慢了12倍。該場還誘導了分子之間在長距離上的強偶極矩相互作用，這一特徵導致分子碰撞的頻率比超冷氣體中的頻率要高得多。它們一生中至少可以經歷500次碰撞，足以讓它們降溫。由於強大的相互作用和相當長的壽命，可以透過削弱限制分子氣體的鐳射阱來蒸發冷卻分子。經過三分之一秒後，分子達到21納開爾文。該溫度是迄今為止報告的極性分子的最低溫度，遠低於費米溫度。為探索量子物質的奇異狀態，開闢了許多可能性。相關工作以“Evaporation of microwave-shielded polar molecules to quantum degeneracy”為題發表在Nature上.
圖 ：微波遮蔽
2. 極性分子的場聯共振
散射共振是控制超冷原子和分子相互作用的重要工具。然而，傳統的費斯巴赫（Feshbach）散射共振已在各種平臺上得到廣泛研究，但由於兩個分子在近距離接近時會發生快速損耗，因此預計大多數超冷極性分子中不會存在這種共振。
在這裡，馬克斯·普朗克量子光學研究所羅鑫宇博士領導的研究小組展示了一種新型的散射共振，這種共振適用於多種極性分子。所謂的場連共振出現在微波處理過的分子的散射中，這是因為分子間電位中存在穩定的宏觀四聚態。本文確定了超冷基態鈉鉀分子之間的兩個共振，並利用微波頻率和極化將非彈性碰撞率調整了三個數量級，從單位極限調整到遠低於普適機制。場聯共振提供了一個調諧旋鈕，可獨立控制彈性接觸相互作用和偶極-偶極相互作用，作者觀察到熱化率發生了變化。此研究結果為超冷極性分子之間的共振散射提供了一種通用策略，為實現偶極超流體和分子超固體以及組裝超冷多原子分子鋪平了道路。相關成果以“Field-linked resonances of polar molecules”為題發表在《Nature》上。
圖 1：經微波處理的基態分子的相互作用勢和結合態
3 在納開爾文溫度下實現首個四原子超級分子
二十年前，美國理論物理學家約翰-博恩和他的同事們預測了極性分子之間的一種新型結合：如果分子帶有不對稱分佈的電荷（物理學家稱之為極性），它們就能在電場中結合成弱結合的 "超級分子"。這些極性分子的行為可以看作是硬殼內的羅盤針。當羅盤針靠近時，會產生比地球磁場更強的吸引力，它們會相互指向對方，而不是對準北方。
極性分子也有類似的現象，在特定條件下，它們可以透過電場力形成一種獨特的結合狀態。它們的結合有點像一對情侶緊緊相擁，同時又保持一定距離的跳動。超級分子 "的結合狀態比一般的化學鍵弱得多，但同時也長得多。超級分子共享鍵長的距離是正常結合分子的幾百倍。由於這種長程性質，這種 "超級分子 "具有高度敏感性：如果電場引數在臨界值上稍作改變，分子間的作用力就會發生巨大變化--這種現象被稱為 "場聯共振"。這使得研究人員能夠利用微波場靈活地改變分子的形狀和大小。
超冷多原子分子因其豐富的內部結構，為冷化學、精密測量和量子資訊處理提供了機遇。然而，與雙原子分子相比，超冷多原子分子的複雜性增加了，這給使用傳統冷卻技術帶來了挑戰。
在此，馬克斯·普朗克量子光學研究所羅鑫宇聯合中科院理論物理研究所石弢研究員共同展示了一種透過場聯共振，在微波壓制的極性分子的退化費米氣體中，透過電解離產生弱結合超冷多原子分子的方法。從基態 NaK 分子開始，作者創造了約 1.1 × 103 個弱結合四原子 (NaK) 分子，相空間密度為 0.040，溫度為 134nK，比以前實現的四原子分子低 3000 多倍。觀察到四聚體在自由空間中的最大壽命為 8(2) 毫秒，在光學偶極陷阱存在的情況下沒有明顯變化，這表明這些四聚體具有碰撞穩定性。此外，作者還透過微波場調製對解離的四聚體直接成像，以探測它們在動量空間的波函式的各向異性。本研究結果展示了一種從較小的極性分子組裝弱結合超冷多原子分子的通用工具，這是實現多原子分子玻色-愛因斯坦凝聚的關鍵一步，也是實現從雙極巴丁-庫珀-施裡弗超流體到四聚體玻色-愛因斯坦凝聚的新跨越。此外，長壽命的場連線態為確定性光學轉移到深度結合的四聚體態提供了一個理想的起點。相關成果以“Ultracold field-linked tetratomic molecules”為題發表在《Nature》上，第一作者為Xing-Yan Chen
圖 ：場連四聚體的電締合
來源：高分子科學前沿
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