碰撞的偶极分子在旋转的微波场中经历有吸引力和排斥的相互作用。通过场的适当椭圆形变形，可以创建所谓的场链接状态。来源：Andreas Schindewolf，MPQ

位于加兴的马克斯普朗克量子光学研究所（MPQ）的一组研究人员首次观察到一种以前只被怀疑的现象的证据：一种理论预测，当超冷极性分子碰撞时，会出现奇异的束缚态。

碰撞属性的可见变化现在在实验中表明这种效应确实是可能的。在他们的研究中，研究人员使用了一种特殊形状的微波场，他们可以直接影响粒子之间各种力的相互作用。

通过这种方式，“超分子”可以形成：相对较大且仅弱连接的构建体，这些结构可以由微波场控制，并且其存在会影响未结合分子之间的碰撞动力学。根据新的结果，该团队创建了一个多功能的实验工具，从超冷分子中产生奇异形式的量子物质。该论文本周发表在《自然》杂志上。

大约20年前，美国科学家约翰·博恩（John Bohn）和他的同事根据理论考虑和计算预测了分子的新颖特性：如果分子携带不对称分布的电荷（物理学家将其称为极性），它们可以在电场中结合形成弱结合的“超分子”。

但是，直到现在，还没有对预测进行实验确认。位于加兴的马克斯普朗克量子光学研究所（MPQ）的一组研究人员现在发现了这种结构存在的第一个迹象，与其他分子相比，这些结构是巨大的。研究人员用可变形的微波场照射偶极分子的超冷气体，发现气体的性质发生了很大变化 - 正是在应该形成“超级分子”的场参数上。

“当两个极性分子相遇时，它们的行为有点像两个罗盘针，”MPQ团队负责人Xin-Yu Luo博士解释说。“在地球磁场的影响下，两根针都指向北方。以这种方式平行排列的针相互排斥。但是，如果将针头靠得足够近，它们之间的作用力就会超过地球磁场的影响。这允许针头对齐，使它们相互指向并因此吸引。

当两个极性分子在外部电场中相互接近时，它们会经历不同相反力的类似相互作用。“由此产生的相互作用会导致分子电偶极子之间的排斥或吸引力，”Garching物理学家说。关键因素是两个分子占据哪个量子态。

力量的剧烈变化

该理论预测，在合适的电场设置下，双方在一定距离内相互连接。在短时间内，一个“场连接分子”被创造出来——一个比单个未结合分子大几百倍的构造。如果电场的参数在临界值处稍微改变一下，则各个分子之间的力就会发生巨大变化。科学家们将其称为共振现象，他们称之为“场连接共振”。

在实验中，MPQ的研究小组还发现，钠钾分子的碰撞特性可以通过调整微波场的频率或形状来改变。因此，研究人员用驻激光干扰分子气体，并通过分子之间的碰撞观察干扰再次消失的速度。

“找到可以控制超冷分子之间相互作用的调谐旋钮对我们量子物理学家来说非常重要，”这个实验的博士陈星岩解释说。“对于超冷原子，适当的方法已经存在多年 - 而对于复杂的超冷极性分子，迄今为止缺乏普遍适用的技术。

旋转场

尽管基本理论被广泛接受，但直到现在还不可能在实验中观察到这种共振。“假设形成场结合分子需要极高的场强，”该团队的另一位研究员Andreas Schindewolf博士解释说。“施加的微波场通常像时钟的指针一样旋转一个圆圈。

科学家们在2022年利用这样的场来稳定超冷分子，创造了世界上最冷的偶极分子。“令人惊讶的是，我们发现微波场的无意变形 - 就像过渡到带有椭圆表盘的时钟 - 诱导共振行为，”Schindewolf报道。

在这一观察的刺激下，研究人员开发了一种特殊的微波天线，以受控的方式使场变形，从而表征共振。“与荷兰Radboud大学的Tijs Karman教授一起，我们能够通过理论计算重现我们的共振测量，从而证明存在两种场束缚分子状态，”马克斯普朗克物理学家指出。

产生奇异的量子物质

“有了通过场连接共振控制极性分子之间相互作用的能力，我们现在可以实验性地产生奇异的量子物质，”罗新宇很高兴地说。这应该允许将来赋予分子气体超流体特性。

“可以进一步了解粒子如何在超流体或超导体中配对，”罗确信。“场连接的共振还可以允许实现所谓的分子超固体 - 一种同时表现出超流体和固体性质的状态。

最终，MPQ的研究人员旨在利用共振将单个分子特异性地组合成场连接的分子，以便它们可以稳定超级分子并利用其奇异的量子特性。

更多信息：陈兴彦等人，极性分子的场连接共振，《自然》（2023）。DOI： 10.1038/s41586-022-05651-8

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