包含4个原子的分子是迄今为止被冷却到仅比绝对零度高千亿分之一度的最大分子。德国马克斯·普朗克量子光学研究所罗鑫宇博士与中国科学院理论物理研究所石弢研究员合作，成功生成超冷四原子分子。相关研究成果1月31日发表于《自然》。
四原子分子被冷却到接近绝对零度。图片来源：马克斯·普朗克量子光学研究所
研究人员用于冷却单个原子的技术，比如用激光和磁力撞击原子，对分子的冷却效果并不好。对于多原子分子来说尤其如此，因为要想实现超冷，它们必须静止—— 一个分子中运动的部分越多，升温的机会就越多。
“我们研究分子不是因为它很容易，而是因为它很难。” 罗鑫宇说。现在，他和合作者已经生成了比以往任何时候都冷的四原子分子。
研究人员从几千个由一个钠原子和一个钾原子组成的分子开始，把它们关在一个没有空气的“房间”里，用磁力和光猝发冷却，目的是使其静止。最冷的可能温度是0开尔文，也就是绝对零度。这些分子的温度只有970亿分之一开尔文。
为了将两原子分子转化为四原子分子，研究人员必须将它们成对结合，且阻止它们升温。根据石弢的理论计算，他们使用微波场将分子“黏合”在一起。“我们真的不知道能否组装这些分子，但石弢团队做了计算，对我说‘这是可能的，试试吧’。”罗鑫宇说。
他们的试验取得了成功。研究人员在1340亿分之一开尔文的温度下，创造了大约1100个分子，每个分子都有两个钾原子和两个钠原子，这是迄今为止达到这种超冷温度的最大分子。
“让分子变得超冷的原因之一是对它们有更多控制，从这个意义上说，这项工作是向前迈出的一大步。”美国科罗拉多大学博尔德分校的John Bohn说，这项新实验之所以重要，不仅是因为分子的温度前所未有，还因为在最冷的时候，它们会进入一个已知的量子态，并可能被精确推入另一个状态或过程。
罗鑫宇表示，这些分子中的原子不像室温分子那样紧密地“黏”在一起。但制造它们是研究复杂化学反应的必要步骤，这些化学反应在极冷和极慢的情况下更容易观察到。
美国哥伦比亚大学的Sebastian Will说，下一个问题是，在超低温下，用类似的微波技术可以构建出其他什么。“我们正在寻找量子化学的令人兴奋的新机会。”
相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41586-023-06986-6
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