威尔实验室使用一系列激光和光学元件作为冷却实验的一部分。图片来源：哥伦比亚大学

镇上有一个热门的新 BEC，与培根、鸡蛋和奶酪无关。你不会在当地的酒窖里找到它，而是在纽约最冷的地方：哥伦比亚大学物理学家塞巴斯蒂安·威尔（Sebastian Will）的实验室，他的实验小组专门将原子和分子推到绝对零度以上几分之一度的温度。

在荷兰Radboud大学的理论合作者Tijs Karman的支持下，Will实验室在《自然》杂志上撰文，成功地从分子中创造了一种独特的物质量子态，称为玻色-爱因斯坦凝聚态（BEC）。

他们的BEC由钠铯分子制成，冷却到仅5纳开尔文，或约-459.66°F，稳定两秒钟。像水分子一样，这些分子是极性的，这意味着它们同时带有正电荷和负电荷。Will指出，电荷的不平衡分布促进了长程相互作用，从而产生了最有趣的物理学。

Will实验室很高兴通过其分子BEC进行的研究包括探索许多不同的量子现象，包括新型的超流动性，这是一种在不经历任何摩擦的情况动的物质状态。他们还希望将他们的BEC变成模拟器，可以重现更复杂材料（如固体晶体）的神秘量子特性。

“分子玻色-爱因斯坦凝聚体开辟了全新的研究领域，从理解真正的基础物理学到推进强大的量子模拟，”他说。“这是一项激动人心的成就，但这仅仅是个开始。”

对于Will实验室来说，这是一个梦想成真，对于更大的超冷研究社区来说，这是一个已经酝酿了几十年的梦想。

要变冷，请添加微波炉

微波是一种电磁辐射形式，在哥伦比亚大学有着悠久的历史。在 1930 年代，物理学家伊西多尔·艾萨克·拉比 （Isidor Isaac Rabi） 后来获得了诺贝尔物理学奖，他在微波方面做出了开创性的工作，导致了机载雷达系统的发展。

“拉比是最早控制分子量子态的人之一，也是微波研究的先驱，”威尔说。“我们的工作遵循了长达90年的传统。”

虽然您可能熟悉微波炉在加热食物中的作用，但事实证明它们也可以促进冷却。单个分子有相互碰撞的趋势，因此会形成更大的复合物，从样品中消失。微波可以在每个分子周围形成小屏蔽，防止它们碰撞，这是他们在荷兰的合作者卡曼提出的一个想法。

由于分子被屏蔽了有损碰撞，只有最热的分子才能优先从样品中去除 - 当你沿着咖啡的顶部吹气时，同样的物理原理会冷却你的咖啡，作者Niccolò Bigagli解释说。剩下的那些分子会更冷，样品的整体温度会下降。

在微波的帮助下，哥伦比亚大学的物理学家从钠铯分子中创造了一种玻色-爱因斯坦凝聚体，这是一种独特的物质状态。图片来源：哥伦比亚大学威尔实验室/迈尔斯·马歇尔

去年秋天，该团队在《自然物理学》（Nature Physics）上发表的研究中接近创建分子BEC，该论文介绍了微波屏蔽方法。但另一个实验性的转折是必要的。当他们增加了第二个微波场时，冷却变得更加高效，钠铯终于越过了BEC阈值——这是Will实验室自2018年在哥伦比亚大学成立以来一直抱有的目标。

“这对我来说是一个梦幻般的结束，”Bigagli说，他今年春天获得了物理学博士学位，并且是实验室的创始成员。“我们从还没有建立实验室到取得这些惊人的结果。”

除了减少碰撞外，第二微波场还可以操纵分子的取向。这反过来又是控制它们如何互动的一种手段，实验室目前正在探索这一点。“通过控制这些偶极相互作用，我们希望创造新的量子态和物质相，”合著者、哥伦比亚大学博士后伊恩·史蒂文森说。

量子物理学的新世界打开了

Ye是位于博尔德的超冷科学的先驱，他认为这些结果是一件美丽的科学。“这项工作将对许多科学领域产生重要影响，包括量子化学的研究和强相关量子材料的探索，”他评论道。“威尔的实验具有对分子相互作用的精确控制，以引导系统走向预期的结果 - 这是量子控制技术的一项了不起的成就。

与此同时，哥伦比亚大学团队很高兴能够对经过实验验证的分子之间的相互作用进行理论描述。“我们真的对这个系统中的相互作用有一个很好的了解，这对下一步也至关重要，比如探索偶极多体物理学，”卡曼说。“我们已经提出了控制相互作用的方案，在理论上测试了这些方案，并在实验中实施了它们。看到这些微波'屏蔽'的想法在实验室中得以实现，真是一次了不起的经历。

现在有几十个理论预测可以用分子BEC进行实验测试，共同第一作者和博士生Siwei Zhang指出，这些预测非常稳定。大多数超冷实验在一秒钟内进行，有些短至几毫秒，但实验室的分子BEC持续两秒钟以上。“这将真正让我们研究量子物理学中的开放性问题，”他说。

一个想法是将BEC捕获在由激光制成的光学晶格中，从而制造人造晶体。Will指出，这将使强大的量子模拟成为可能，模拟天然晶体中的相互作用，这是凝聚态物理学的一个重点领域。

量子模拟器通常是用原子制成的，但原子具有短程相互作用——它们实际上必须彼此重叠——这限制了它们对更复杂材料进行建模的能力。“分子BEC将引入更多风味，”Will说。

这包括维度，共同第一作者和博士生Weijun Yuan说。“我们希望在 2D 系统中使用 BEC。当你从三维到二维时，你总是可以期待新的物理学出现，“他说。2D材料是哥伦比亚大学的一个主要研究领域;拥有一个由分子BEC组成的模型系统可以帮助Will和他的凝聚态同事探索量子现象，包括超导性、超流动性等。

“似乎一个充满可能性的全新世界正在打开，”威尔说。

更多信息：塞巴斯蒂安·威尔（Sebastian Will），《偶极分子玻色-爱因斯坦凝聚的观察》，《自然》（2024）。DOI： 10.1038/s41586-024-07492-z.www.nature.com/articles/s41586-024-07492-z

期刊信息： Nature Physics ， Nature