新型MIT“冰箱”超冷分子达到了纳氏温度

一种新型的“制冷剂”将分子超冷至纳氏温度。该技术可以实现更复杂的基于分子的量子计算。

多年以来，科学家一直在寻找将分子冷却至超冷温度的方法，此时分子应缓慢爬行，从而使科学家能够精确地控制其量子行为。这可能使研究人员能够将分子用作复杂的位来进行量子计算，从而像单个小旋钮一样调节单个分子以一次执行多个计算流。

尽管科学家拥有过冷的原子，但对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。

一种用于分子的新冰箱。钠原子（黄色球）与钠-锂分子（组合黄色-红色球）碰撞。原子-分子混合物被捕获在一个光阱中，该光阱的有效边缘显示为白色边缘。随着陷阱的松动（描绘为较暗的边缘），能量最高的钠原子会离开陷阱，从而提供蒸发冷却。冷却通过弹性碰撞传递给分子。分子上的霜表明它们已经达到了开尔文温度2000亿分之一的温度。

现在，麻省理工学院的物理学家已经找到了一种方法，可以将钠锂分子冷却到开尔文的2000亿分之一，仅比绝对零值高一点。他们通过应用一种称为碰撞冷却的技术来做到这一点，在该技术中，他们将冷钠锂分子浸入了钠原子甚至更冷的云中。超冷原子充当制冷剂以进一步冷却分子。

碰撞冷却是用于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使许多不同的分子过冷，却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此过程中被加热或破坏。 “不良”碰撞。

在他们自己的实验中，麻省理工学院的研究人员发现，如果使钠锂分子和钠原子以相同的方式旋转，它们可以避免自毁，而是进行“良好”碰撞，使原子带走分子的“自旋”。能量，以热的形式。该团队使用精确的磁场控制和复杂的激光系统来编排分子的自旋和旋转运动。结果，原子-分子混合物具有高的好坏碰撞比率，并从2微开尔文冷却到220纳米开尔文。

麻省理工学院约翰·阿瑟物理学教授诺贝尔奖获得者沃尔夫冈·凯特尔（Wolfgang Ketterle）补充说：“碰撞冷却一直是冷却原子的主要动力。当然，我们必须尝试一下。现在我们知道它可以冷却钠锂分子。它是否适用于其他种类的分子还有待观察。”

他们的发现今天发表在《自然》杂志上，标志着研究人员首次成功地使用碰撞冷却将分子冷却到纳米开尔文温度。

凯特尔在论文的共同作者是哈佛大学物理系研究生的Hyungmok Son，麻省理工学院的物理学研究生朱莉安娜·帕克（Juliana Park）和物理学教授，滑铁卢大学量子计算研究所成员艾伦·贾米森（Alan Jamison）麻省理工学院电子研究实验室的访问科学家。

达到超低温

过去，科学家发现，当他们试图通过用更冷的原子包围分子将分子冷却至超冷温度时，粒子发生碰撞，从而使原子赋予了分子更多的能量或旋转，使它们飞离陷阱，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影响，并因此保持超冷和稳定。他们希望用锂锂来测试他们的想法，锂是一种由Ketterle小组定期进行实验的“ diadiamic”分子，由一个锂和一个钠原子组成。

贾米森说：“钠锂分子与人们尝试过的其他分子有很大的不同。”“许多人期望这些差异将使冷却工作的可能性降低。但是，我们感到这些差异可能是一种优势，而不是有害。”

（从左至右）麻省理工学院物理研究生Yukun Lu和朱莉安娜·帕克，艾伦·贾米森（Alan Jamison）（滑铁卢大学物理学教授，麻省理工学院电子研究实验室的客座科学家），沃尔夫冈·凯特尔（Wolfgang Ketterle）（主要研究员，麻省理工学院物理学教授） ）和Hyungmok Son（哈佛物理学研究生，该出版物的主要作者）。

研究人员对一个由20多个激光束和各种磁场组成的系统进行了微调，以在真空室内将钠和锂的原子捕集并冷却至大约2微开尔文。钠锂分子。

一旦研究人员能够产生足够的分子，他们就会发出特定频率和偏振的激光束，以控制分子的量子态，并仔细调谐微波场，使原子以与分子相同的方式旋转。Son说：“然后，我们使冰箱变得越来越冷。”他指的是围绕新形成的分子的云团的钠原子。“我们降低了捕获激光器的功率，使光阱变得越来越松散，这使钠原子的温度下降，并使分子进一步冷却，达到开尔文的千分之二千。”

该小组观察到这些分子能够在这些超冷温度下停留长达一秒钟。“在我们的世界中，一秒钟很长，”凯特勒说。“您想要对这些分子进行的工作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锂分子的温度比迄今为止的温度低五倍，那么它们将达到所谓的量子简并状态，其中单个分子变得难以区分，并且其集体行为受量子力学控制。Son和他的同事对如何实现此目标有一些想法，这将涉及数月的工作来优化其设置，以及购买新的激光器以集成到其设置中。

Son说：“我们的工作将引起我们社区的讨论，为什么碰撞冷却对我们有用，而对其他人却无效”，Son说，“也许我们很快就会预测到如何以这种方式冷却其他分子。”

这项研究部分由国家科学基金会，美国国家航空航天局和三星奖学金资助。