作者：約翰娜·L·米勒

編譯：純珍

圖片來源：Lo?c Anderegg

隨著從兩個原子到三個甚至更多原子的進步，適合超冷技術的分子可能開始類似于大多數化學家所認識的分子。

激光可以將中性原子冷卻到亞毫開爾文溫度的發(fā)現徹底改變了量子多體物理學和精密計量學的研究。利用激光冷卻的堿金屬原子云——鈉、鉀、銣和銫，研究人員探索了玻色-愛因斯坦凝聚、凝聚態(tài)系統(tǒng)的量子模擬、高精度的原子鐘等等。激光冷卻裝置現在非常常規(guī)，可以制成可運輸的包裝，以便帶出實驗室并進入現場。

它不再只是原子：目前對超冷分子主題的研究很積極。但是正在研究的分子并不是你在化學課上記得的那些。相反，它們通常是外來物種，例如 KRb，因為研究人員通過將已經冷卻的堿金屬原子組裝成超冷分子。

也可以直接對分子進行激光冷卻，但這種方法也有其挑戰(zhàn)和局限性。與原子不同，分子包含像彈簧一樣振動的化學鍵。用激光光子反復激發(fā)會拉伸彈簧并使它們運動。很多時候，分子根本沒有冷卻，最終會充滿振動能量。

如果分子的基態(tài)和激發(fā)態(tài)在平衡態(tài)形狀上幾乎相同，那么這個問題就可以得到緩解，然后這些狀態(tài)之間的任何循環(huán)都不會過度拉伸鍵。符合要求的分子包括由堿土金屬原子（如鍶或鈣）與另一個原子（如氟）結合而成的分子。金屬原子有一個額外的電子，不參與化學鍵，因此可以在不改變分子形狀的情況下，被激發(fā)到更高能量的軌道。事實上，SrF 是第一個被激光冷卻的雙原子分子，CaF 緊隨其后。

現在，哈佛大學的 John Doyle 及其同事發(fā)現，同樣的原理適用于與由多個原子組成的化學基團結合的堿土金屬原子：氫氧化鍶 (SrOH) 和氫氧化鈣 (CaOH)，而不是 SrF 和 CaF。三原子分子的冷卻比二原子分子更復雜，因為它們可以以更多方式振動，并具有更多可用的量子態(tài)。

對于分子可能達到的每個振動狀態(tài)，研究人員需要添加一個專用的激光頻率，以將其推回無振動基態(tài)。Doyle 及其同事發(fā)現，使用 12 種激光頻率，它們可以使 CaOH 分子的行進速度減慢到停止，將它們限制在磁光阱中，并在低于1 mK的溫度下保持數十毫秒。在短時間的額外冷卻脈沖下，溫度下降到110μK。

為什么要費心冷卻和捕獲三原子分子——或者說雙原子分子？除了研究超冷狀態(tài)下的化學反應，研究人員還在基礎物理學測試中使用超冷分子：檢查電子是否具有永久電偶極矩，尋找鏡像分子之間宇稱破壞的證據，甚至尋找暗物質。分子的原子越多，其內部結構就越豐富（例如，具有幾乎相同能量的不同量子態(tài)對）可能證明對這些測試有利。

如果激光冷卻可以應用于更大的分子，正如 Doyle 及其同事的初步工作所表明的那樣，那么靈活性就會更加復雜。原則上，一個可激光冷卻的分子只需要一個堿土金屬原子作為冷卻中心；利用已知的化學原理，分子的其余部分可以按順序設計。哈佛研究人員已經冷卻（但尚未捕獲）一甲醇鈣或 CaOCH 3。與加州大學洛杉磯分校的 Anastassia Alexandrova 小組合作的理論工作（以 Anna Krylov 和 Svetlana Kotochigova 小組的類似工作為基礎）發(fā)現，即使是一氧化鈣（一種與苯環(huán)相連的 CaO 基團）也顯示出冷卻的希望。

文章來源：https://physicstoday.scitation.org/do/10.1063/PT.6.1.20220616a/full/