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多年来，科学家们一直在寻找将分子冷却到超低温的方法，此时分子应该缓慢爬行，这样科学家就可以精确地控制它们的量子行为。这可能使研究人员能够将分子用作量子计算的复杂比特，从而像微小的旋钮一样调整单个分子，并同时执行多个计算流。
虽然科学家有过冷原子，但对于行为和结构更复杂的分子也是如此，事实证明这是一个更大的挑战。
现在，麻省理工学院的物理学家找到了一种方法，可以将钠和锂分子冷却到2000亿开尔文，这仅比绝对零度高一点点。他们通过应用一种叫做碰撞冷却的技术来做到这一点，在这种技术中，他们将冷的钠和锂分子浸入更冷的钠原子云中。超冷原子充当制冷剂，进一步冷却分子。
碰撞冷却是使用其他较冷原子冷却原子的标准技术。十多年来，研究人员试图通过碰撞冷却来过冷许多不同的分子，但发现当分子与原子碰撞时，它们交换能量的方式是使分子在这个过程中被加热或破坏。“不好”的碰撞。
麻省理工学院的研究人员在他们自己的实验中发现，如果钠和锂分子以及钠原子以同样的方式旋转，它们可以避免自我毁灭，并发生“良好”的碰撞，其中原子以热量的形式带走分子的能量。该团队使用精确的磁场控制和复杂的激光系统来安排分子的自旋和旋转。结果，原子-分子混合物具有高碰撞比，并且从2微开尔文冷却到220纳米开尔文。
“碰撞冷却一直是冷却原子的主要驱动力，”诺贝尔奖获得者、麻省理工学院约翰阿瑟物理学教授沃尔夫冈凯特尔补充道。“我不敢相信我们的计划会成功，但因为我们不确定，我们必须试一试。我们现在知道它可以冷却钠和锂分子。它是否适用于其他种类的分子还有待观察。”
他们的发现发表在《自然》，标志着研究人员首次成功利用碰撞冷却将分子冷却到纳米开尔文温度。
keitel论文的合著者包括哈佛大学物理学研究生Hyungmok Son、麻省理工学院物理学研究生Juliana Park和滑铁卢大学物理学教授、麻省理工学院研究实验室客座科学家Alan Jamison。
达到超低温
过去，科学家们发现，当他们试图通过用更冷的原子包围分子来将分子冷却到超冷的温度时，粒子会发生碰撞，从而原子给分子更多的能量或旋转，这使得它们飞离陷阱，或者通过化学反应一起自我毁灭。麻省理工学院的研究人员想知道具有相同自旋的分子和原子是否可以避免这种效应，从而保持超冷和稳定。他们希望用锂来测试他们的想法，锂是一种“二二胺”分子，凯特勒的团队经常用它进行实验，它由一个锂原子和一个钠原子组成。
贾米森说：“钠和锂分子与人们尝试过的其他分子有很大不同。”“许多人预计，这些差异将降低冷却工作的可能性。然而，我们觉得这些差异可能是一种优势，而不是伤害。”
研究人员微调了一个由20多束激光束和各种磁场组成的系统，将真空室中的钠和锂原子捕获并冷却到大约2微开尔文-森说，该温度是原子作为钠和锂分子结合在一起的最佳温度。
一旦研究人员能够产生足够多的分子，他们就会发射特定频率和偏振的激光束来控制分子的量子态，并仔细调谐微波场，使原子以与分子相同的方式旋转。儿子说：“然后，我们让冰箱越来越冷。”他指的是新形成的分子云周围的钠原子。“我们降低了俘获激光的功率，使光阱越来越松散，这降低了钠原子的温度，并进一步将分子冷却到2000开尔文。”
研究小组观察到，这些分子可以在超低温下停留长达一秒钟。凯特勒说：“在我们的世界里，一秒钟很长。”“你想用这些分子做的是量子计算和探索新材料，所有这些都可以在不到一秒钟的时间内完成。”
如果研究小组能使钠和锂分子的温度比目前低5倍，它们将达到所谓的量子简并状态，在这种状态下，单个分子变得无法区分，它们的集体行为由量子力学控制。Son和他的同事们对如何实现这个目标有一些想法，这将涉及几个月的工作来优化其设置，并购买新的激光器来集成到其设置中。
儿子说：“我们的工作会在我们社区引起讨论，为什么碰撞冷却对我们有用而对别人没用。”也许我们很快就会预测如何用这种方式冷却其他分子。
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