威爾實驗室使用一系列激光器和光學(xué)元件作為冷卻實驗的一部分。圖片來源：哥倫比亞大學(xué)
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(shù)十年來的夢想成真。
美國哥倫比亞大學(xué)物理學(xué)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(xué)理論學(xué)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(zhì)量子態(tài)，即玻色-愛因斯坦凝聚態(tài)（BEC）。
此前，BEC已經(jīng)是公認(rèn)的“物質(zhì)第五態(tài)”。但這個BEC格外讓物理學(xué)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(dá)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(fù)電荷。這種電荷的不平衡分布促進(jìn)了長距離相互作用，能產(chǎn)生不可思議的物理現(xiàn)象。
“從理解真正的基礎(chǔ)物理學(xué)，到推進(jìn)強(qiáng)大的量子模擬，分子BEC開辟了全新的研究領(lǐng)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(xué)研究可追溯到一個世紀(jì)前，當(dāng)時物理學(xué)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(yù)測，一組冷卻到接近靜止?fàn)顟B(tài)的粒子，會合并成一個更大的超實體，具有由量子力學(xué)定律決定的共同屬性和行為，這會是探索量子力學(xué)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(xué)獎，當(dāng)時威爾剛剛開始在德國美因茨大學(xué)學(xué)習(xí)物理學(xué)。這些原子BEC擴(kuò)展了人們對物質(zhì)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(shù)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(chǎn)生的相互作用。自從第一個原子BEC被實現(xiàn)以來，科學(xué)家一直想用分子制造更復(fù)雜的版本。但即使是由兩個不同元素的原子結(jié)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(dāng)時物理學(xué)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(jié)合的方法，制造出分子鈉銫的第一種超冷氣體，而為了進(jìn)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(jì)30年代，物理學(xué)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(xué)獎。但拉比不僅是微波研究的先驅(qū)，也是最早控制分子量子態(tài)的人之一。
對于大多數(shù)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(jìn)冷卻：單個分子傾向于相互碰撞，從而形成更大的復(fù)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(tuán)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(tuán)隊在《自然·物理學(xué)》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(jìn)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(xué)的先驅(qū)者之一、美國科羅拉多大學(xué)教授葉軍認(rèn)為，這一成果非常出色，也“將對許多科學(xué)領(lǐng)域產(chǎn)生重要影響，包括量子化學(xué)研究和強(qiáng)關(guān)聯(lián)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(dǎo)系統(tǒng)朝著預(yù)期結(jié)果發(fā)展，這是量子控制技術(shù)的一項了不起的成就。”
目前，有幾十種理論預(yù)測可用分子BEC進(jìn)行實驗測試。此前大多數(shù)超冷實驗在一秒鐘內(nèi)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(dá)兩秒。這種穩(wěn)定性將真正促進(jìn)研究量子物理學(xué)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(xué)晶格中。這將使科學(xué)家實現(xiàn)強(qiáng)大的量子模擬，這也是凝聚態(tài)物理學(xué)的一個重點領(lǐng)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(fù)雜材料的能力，分子BEC將改寫這一切。
又譬如，在二維系統(tǒng)中使用BEC。“當(dāng)從三維變成二維時，新物理學(xué)就會出現(xiàn)”，二維材料已是當(dāng)今一個主要研究領(lǐng)域，擁有由分子BEC組成的相關(guān)模型系統(tǒng)，可幫助科學(xué)家在實驗室探索超導(dǎo)性、超流體性等量子現(xiàn)象。
威爾和他的團(tuán)隊相信，一個充滿可能性的物理全新世界正在展現(xiàn)。
