超冷四原子分子受电偶极矩束缚 – 物理世界

使用新开发的“电缔合”技术创建了弱结合的四原子分子，其温度比以前的任何四原子分子低 3000 倍以上。这项工作基于 2003 年的一项提案，可以使在超冷温度下组装更大的分子成为可能，开启超流性和超导性的研究，甚至在量子计算中找到应用。

2003年，理论物理学家 约翰·博恩 位于科罗拉多州博尔德的 JILA 是著名实验学家领导的团队的一部分 黛博拉·金于 2015 年去世。他们当时正在研究磁场对超冷费米子气体的影响。研究人员发现，当原子通过所谓的费什巴赫共振调节电场值时，原子会形成弱结合的双原子分子，此时结合能等于分子的结合能。这个过程随后被称为磁缔合。

然后，在 2008 年，由 Jin 和她科罗拉多大学同事领导的团队 君夜 证明了使用称为受激拉曼绝热通道（STIRAP）的三级激光冷却技术将这些脆弱的二聚体转化为基态分子。这两种技术随后被无数其他团体用来制造超冷二聚体，用于量子化学研究等众多应用。

然而，磁缔合仅适用于具有磁偶极矩的粒子，这意味着它们必须具有不成对的电子。金的团队正在研究具有磁性的钾原子。一旦它们结合形成双原子钾分子，它们就不再对磁场做出反应。

为什么不采用电缔合呢？

同年，博恩和同事 亚历山大·阿夫丁科夫 发表了一篇理论论文，表明如果非磁性分子具有电偶极矩，则有可能诱导它们配对：“磁缔合是存在的，所以我们想，好吧，为什么不电缔合呢？”博恩说：“我们没有考虑更多。”

然而，在 2023 年，使用 Bohn 原始提案的修改版本， 罗新玉 德国马克斯·普朗克量子光学研究所的博士及其同事将强束缚的超冷钠钾分子（由磁缔合和 STIRAP 产生）置于振荡的外部微波场中。在特定的场值下，他们发现了共振态的光谱证据，这与之前在分子对之间看到的任何情况都不同。在这种状态下，两个分子平行跳舞，因为它们自己的电偶极矩改变了施加的电势。由此产生的相互作用在短距离处是排斥的，但在长距离处是吸引力的，导致结合态比单个分子的直径大约 1000 倍。然而，当时研究人员只掌握了该状态存在的证据，而没有任何将粒子放入其中的受控方法。

圆偏振微波

在这项新工作中，马克斯·普朗克研究人员和中国武汉大学的同事发现，通过在温度约为 100 nK 的温度下对钠钾分子施加圆极化微波场，然后增加场的椭圆率，他们可以诱导其中一些分子形成四聚体。该团队还设法解离四聚体，并通过观察释放的二聚体的形状，对四聚体波函数进行成像。他们在中描述了这一点 自然.

“结合能是射频级别的，”罗说，“它比典型的化学键能弱十多个数量级。”

研究人员现在希望使用 STIRAP 来创建强结合的四聚体。罗说，这不是一件容易的事，因为它需要合适的中间能级，而四聚体比二聚体有更多的能级。 “即使对我来说，我们能否在能量水平的森林中找到合适的状态也是一个悬而未决的问题，”罗说。然而，如果可以的话，它就提供了重复该技术来构建更大分子的诱人可能性。

纠缠分子打造新颖的量子比特平台

研究人员还希望将其分子进一步冷却成玻色-爱因斯坦凝聚体（BEC）。然后，它们将成为研究超导 BEC 态和巴丁-库珀-施里弗 (BCS) 态之间交叉的有力工具。这种交叉对于理解高温超导性至关重要。这种工具将允许物理学家通过简单地调节微波场来调节费米子二聚体和玻色子四聚体之间的凝聚物的成分。这将使他们能够将 BEC 转变为支持库珀对的简并费米气体。

展望未来，该系统甚至可能在量子计算中发挥作用，因为理论预测表明它应该支持拓扑保护的马约拉纳零模式，可用于创建抗噪声量子位。

博恩形容罗和同事的工作非常出色，并补充道：“不仅做得很好，而且是很多人长期以来所期盼的。”在阅读了该小组 2023 年的论文后，他与两位同事合作开发了一个理论框架，描述于 “物理评论快报” 2023 年 XNUMX 月，根据该小组的结果实现了电缔合，并显示了改变场的理想速率。 “当我们这样做时，他们已经做了实验，”他说； “显然他们自己就解决了这个问题。”

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• Sumber: https://physicsworld.com/a/ultracold-four-atom-molecules-are-bound-by-electric-dipole-moments/