多年來，科學家一直在尋找將分子冷卻至超冷溫度的方法。這個狀態下，分子運動會極為緩慢，從而使科學家能夠精確控制其量子行為，這樣就或許可以把分子作為複雜的位來使用，以進行量子計算——像微小的旋鈕一樣調節單個分子，一次執行多個計算流。

儘管科學家已成功使原子過冷，但是否可以將其應用到行為和結構更復雜的分子上？這是個更大的挑戰。

碰撞冷卻成功把分子冷卻到奈米開爾文級別

現在，MIT的物理學家已經找到了一種方法，可以將鈉鋰分子冷卻到開爾文的2000億分之一，僅比絕對零度高一點。他們通過應用一種稱為碰撞冷卻的技術來做到這一點，在該技術中，他們將冷鈉鋰分子浸入了鈉原子甚至更冷的雲中。超冷原子充當製冷劑以進一步冷卻分子。

一種新的分子冰箱。鈉原子（黃色球體）與鈉鋰分子（組合的黃色紅色球體）碰撞。

碰撞冷卻是用於使用其他較冷原子冷卻原子的標準技術。十多年來，研究人員試圖通過碰撞冷卻使許多不同的分子達到“過冷”，但結果發現，當分子與原子碰撞時，它們交換能量的方式會使分子在此過程中被加熱或破壞，所以這屬於 “不良”碰撞。

在實驗中，MIT研究人員發現，如果使鈉鋰分子和鈉原子以相同的方式旋轉，它們就可以避免自毀，進行“好”的碰撞，使原子以熱的形式帶走分子的能量。該團隊使用精確的磁場控制和複雜的鐳射系統來編排分子的自旋和旋轉運動。結果，原子-分子混合物具有高的“好”碰撞比率，並從2微開爾文冷卻到了220奈米開爾文。

“碰撞冷卻一直是冷卻原子的核心方法，” 諾貝爾獎獲得者、MIT John D. Arthur物理學講席教授Wolfgang Ketterle補充道。“我本不相信我們的方案會奏效，但是既然我們不確定，所以就嘗試一下。現在我們知道了，碰撞冷卻可以冷卻鈉鋰分子。它是否適用於其他種類的分子還有待觀察。”

他們的發現發表在今天的Nature上。

從左到右：麻省理工學院物理研究生Yukun Lu和Juliana Park，Alan Jamison（滑鐵盧大學物理教授，麻省理工學院電子研究實驗室客座科學家），Wolfgang Ketterle（麻省理工學院首席研究員，物理教授）和Hyungmok Son（哈佛物理研究生，論文一作）。

如何達到超低溫？

過去，科學家發現，當他們試圖通過用更冷的原子包圍分子以將其冷卻至超冷溫度時，粒子發生碰撞，從而使原子賦予了分子更多的能量或旋轉，使它們飛離陷阱，或者通過化學反應一起自我毀滅。

MIT的研究人員想知道，具有相同自旋的分子和原子是否可以避免這種影響，並因此保持超冷和穩定。

他們希望用他們常用的鈉鋰分子來測試他們的想法，它由一個鋰和一個鈉原子組成，具有某些適用於冷卻工作的特殊性質。

研究人員對一個由20多個鐳射束和各種磁場組成的系統進行了微調，以在真空室內將鈉和鋰的原子俘獲並冷卻，冷卻至大約2微開爾文，以便於其結合成鈉鋰分子。

一旦研究人員能夠產生足夠的分子，他們就會發出特定頻率和偏振的鐳射束，以控制分子的量子態，並仔細調諧微波場，使原子以與分子相同的方式旋轉。Jamison說：“然後，我們使冰箱變得越來越冷。”——冰箱即那些圍繞著新形成的分子云的鈉原子。“我們降低了捕獲鐳射器的功率，使光阱變得越來越鬆散，這使鈉原子的溫度下降，並使分子進一步冷卻至兩千億分之一開爾文。”

該小組觀察到這些分子能夠在這些超冷溫度下停留長達一秒鐘。“在分子和原子的世界中，一秒鐘非常長，” Ketterle說。“我們期望用這些分子進行量子計算和探索新材料，所有這些工作都可以在不到一秒鐘的時間內完成。”

如果研究小組能使鈉鋰分子的溫度比目前已達到的溫度再低五倍，那麼它們將達到所謂的量子簡併狀態：其中單個分子變得難以區分，並且其集體行為將由量子力學控制。科學家們將在之後的幾個月中試圖實現這一目標。

Jamison說：“我們的工作將引起學科內部的討論，為什麼碰撞冷卻對鈉鋰分子有用，而對其他分子卻無效。也許我們很快就可以預測如何以這種方式冷卻其他分子。”

這項研究部分由美國國家科學基金會，美國宇航局和三星獎學金資助。

論文摘要

自從有關玻色—愛因斯坦凝聚的最初工作以來，利用原子的量子簡併氣體，已經能夠對凝聚態和核物理中的重要系統進行量子模擬，以及對在其他物理領域中沒有類似物的多體態的研究。

在微開爾文和奈米開爾文體系中的超冷分子，由於其與原子相比具有豐富的內部自由度，有望為量子模擬和量子計算帶來強大的能力，並有助於精確測量和量子化學的研究。可以使用基於碰撞的冷卻方案（例如蒸發冷卻）來產生超冷原子的量子氣體，但是超冷分子的熱化和碰撞冷卻尚未實現。其它技術，如使用超音速噴氣機和低溫緩衝氣體，已經達到了10毫開爾文以上的溫度限制。

在這裡，我們展示了通過與超冷的Na原子的碰撞將NaLi分子冷卻到微米和奈米開爾文溫度，分子和原子都處於拉伸的超精細自旋狀態。我們發現，彈性與非彈性分子（原子碰撞之比的下限大於50）足以支援持續的碰撞冷卻。通過採用兩個階段的蒸發，我們將分子的相空間密度增加了20倍，從而使溫度低至220奈米開爾文。Na-NaLi 系統良好的碰撞特性可以產生深度量子簡併偶極分子，並提高了利用拉伸自旋態冷卻其他分子的可能性。

圖 1|實驗裝置。Na 原子(黃球)和 NaLi 分子(黑棒上的黃球和紅球)被關在由 1,596 奈米鐳射構成的一維光學晶格中，並被反射回去。

圖 2|Na 和 NaLi 的熱化。a，分子（紅色實線）的捕獲勢比Na原子（黑色虛線）的捕獲勢深。這使我們可以蒸發Na原子而分子損失可以忽略不計。

圖 3|共振加熱（Sympathetic heating）。在Na原子被強制加熱後，NaLi分子的溫度(紅色方塊)升高，並隨著兩個粒子的熱化而達到Na原子的溫度（黑色星號）。沒有熱原子(藍色圓圈)的分子的溫度仍然很低。如圖 2 所示，從四個測量值中估計值和誤差線。

圖 4|蒸發序列。1,596-nm 俘獲鐳射器的初始功率為 1.5w。在蒸發結束時，我們將勢阱壓縮到初始功率，以提高熱化速率，並在不重新縮放勢阱體積的情況下直接比較 NaLi 密度。

圖 5|增加相空間密度。a-c，繪製了 NaLi 分子的數量(a)、溫度(b)和 PSD(c)與強制指數蒸發結束時1596nm捕獲鐳射的功率（i）為單次蒸發和（1）為雙次蒸發，見圖4）。