科研进展 | 首次观测到偶极分子的玻色-爱因斯坦凝聚

受量子力学定律支配的粒子系综表现出许多有趣的涌现行为。原子量子气体、液氦和量子材料中的电子因其多样的成分和相互作用，都表现出不同的性质。量子简并的超冷偶极分子有望实现新物相，并为量子模拟和量子计算提供新途径。

2008年，科研人员通过超低温原子缔合，首次创造出以偶极分子构成的超低温气体。然而，化学反应会导致快速损耗，即使已经在利用碰撞屏蔽（collisional shielding）技术减少，但到目前为止，快速损耗仍在一直阻碍通过蒸发冷却（evaporative cooling）形成玻色-爱因斯坦凝聚体（Bose-Einstein condensate，BEC）。

6月3日，哥伦比亚大学Sebastian Will课题组在《自然》（Nature）期刊发表题为“Observation of Bose-Einstein condensation of dipolar molecules”的研究论文，报告实现了偶极分子BEC，Niccolò Bigagli、Weijun Yuan、Siwei Zhang为论文共同第一作者，Sebastian Will为论文通讯作者。

图：Sebastian Will，哥伦比亚大学物理学院副教授，研究领域包括超冷原子和分子、偶极多体量子系统、   可编程原子光镊阵列、量子模拟、量子计算、量子网络。

通过增强碰撞屏蔽强烈抑制两体和三体损耗，研究人员将钠-铯分子（NaCs）蒸发冷却到量子简并，并经历相变到BEC。当相空间密度超过1时，出现双峰分布即表明存在BEC。研究人员制备了凝聚体占比为60%（10%）和温度为6 nK（2 nK）的BEC，并发现其寿命接近2 s。这项工作为探索迄今为止无法进入的状态中的偶极量子物质打开了大门，有望产生奇特偶极液滴、自组织晶相以及光学晶格中的偶极自旋液体。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-024-07492-z

首先，为了实现有效的蒸发冷却，需要强烈抑制碰撞损耗。为了实现这一点，研究人员使用两种不同的微波场将分子转移到缀饰态，其中一个是圆形σ+极化的微波场，另一个是线性π极化的微波场。图1c展示了NaCs的裸旋转态，以及与之耦合的微波频率的能级图。

因为抑制两体与三体损耗之间存在折中现象，所以微波屏蔽的有效性存在一个基本限制。研究人员认为，当使用单个圆偏振微波场时，两个旋转态的叠加会产生一个旋转的偶极矩。在短程下，会形成一个防止二体损耗的强排斥势垒，并且微波耦合越强，损耗越低。在长程下，偶极-偶极相互作用（在s波通道中）仍然具有吸引力。因此，在分子间距离约为2000a0（a0表示玻尔半径）的情形下，当微波耦合较强时，会出现一个支持场联束缚态（field-linked bound state）的吸引势阱（图1d）。这些束缚态可以通过三体重组引起损耗，因此二体损耗的抑制越有效，三体损耗就越强。这为可实现的损耗率设定了一个下限，并随后限制了蒸发冷却的效率。图1d中的蓝线和橙线分别显示了具有远失谐σ+场、受到二体损耗限制的分子间屏蔽势，以及具有近失谐σ+场、受到三体损耗限制的分子间屏蔽势。

为了抑制三体损耗，需要移除场联束缚态，同时保持对二体损耗的高效抑制。这一点是在不受短程偶极诱导排斥势垒影响的前提下，通过补偿长程吸引型偶极-偶极相互作用来实现的。σ+场诱导的旋转型偶极-偶极相互作用与π场诱导的振荡型偶极-偶极相互作用的正负号相反。通过同时用圆极化和线性极化微波场缀饰分子，补偿了诱导出的偶极-偶极相互作用，并将长程吸引相互作用最小化。这使得在实验上制备出纯排斥型分子间势成为可能，如图1d中的红线所示，两体和三体损耗被最小化。通过结合微波场和静电场，也可以实现类似感应偶极矩的补偿。

除了抑制碰撞损失，该研究团队的微波缀饰方案还有助于将分子相互作用调谐到可能存在BEC的区间。

其次，该实验始于由30000个处于电子、振动、旋转基态的NaCs分子构成的气体，并将其保持在温度为700nK（50 nK）的交叉光学偶极阱中。通过依次提高圆极化σ+和线性极化π微波场，在碰撞屏蔽缀饰态中绝热地制备出分子。

最终，研究团队借助“蒸发冷却”与“碰撞屏蔽”技术成功制备出偶极分子的BEC。利用偶极相互作用的可调谐性，显著地抑制了损耗，并同时为弱相互作用玻色气体创造了条件。由于有数百个分子处于全同的内部运动状态，因此BEC是探索强偶极量子物质的理想起点。由于其偶极矩较大，为4.75D，因此NaCs非常适合在弱和强偶极区间之间进行调谐，这在其他偶极系统中很难实现，比如磁性原子或里德堡原子。

下一个重要的前沿将是探索将弱相互作用玻色气体转化为强相互作用玻色气体的实验途径。虽然控制两个微波缀饰场可以很容易地增加偶极相互作用强度，但如何能够同时保持有效的碰撞屏蔽仍是一个关键的开放性问题。

图：微波屏蔽使偶极NaCs分子的BEC成为可能。

图：分子BEC的形成

图：NaCs分子的蒸发冷却至量子简并

图：半径-飞行时间曲线

图：BEC寿命

图：微波装置

图：拟合模型比较

参考链接

https://www.nature.com/articles/s41586-024-07492-z