多原子分子的激光冷却使超冷化学成为人们关注的焦点

美国物理学家通过直接在三维中捕获和冷却多原子分子，创造了出超冷多原子分子。在哈佛大学John Doyle的带领下，该团队使用了一种称为磁光阱（MOT）的标准设备，再加上额外的激光冷却技术，将氢氧化钙（CaOH）分子样品的温度降低到110µK。研究人员证明了直接激光冷却是可能的，这一结果为基于分子的量子模拟实验和涉及多原子分子的化学反应研究打开了大门。

图1，红光停止：该实验使用多个频率的光将CaOH原子冷却到绝对零以上的几分之一度。（来源：John Doyle）

化学反应是复杂的过程。然而，当接近0 K的温度时，它们的复杂性大大降低，因为所涉及的原子和分子只能存在于其最低能量的量子基态中。迄今为止，超冷化学的研究主要集中在原子与双原子分子之间或双原子分子对之间的简单相互作用。在这种混合物中引入多原子分子将使研究更复杂的相互作用成为可能，但同时也带来了额外的挑战，因为多原子分子不容易冷却。

创造超冷分子

超冷分子通常以两种方式之一产生。第一种方法是向冷原子样品施加激光脉冲，从而使它们结合成超冷分子。研究人员在几种原子上使用了这种激光结合方法，最近的实验表明，它也可以用来从双原子分子中产生三原子分子。第二种方法是用化学方法在冷却到低温的缓冲气体束中产生分子，然后用激光进一步冷却分子。

激光冷却已成功应用于三维双原子分子和一维三原子分子。然而，实现对三原子分子的3D控制要困难得多，因为分子必须吸收和发射大量激光光子，这要求每个光子的累积动量小，相互之间的作用力小，使其容易被捕获。每一个吸收和发射事件也可以诱发旋转或振动运动，使分子处于新的量子态，不再与冷却激光束共振。因此，必须使用额外的激光频率将分子“重新压缩”到正确的状态，这一要求迅速增加了实验的复杂性。

然而，一些分子（如SrF和CaOH）的电子跃迁几乎是闭合的，这意味着它们的旋转和振动模式相对很少被激发。因此，这些分子可以通过只添加有限数量的重压激光器来关闭剩余的跃迁来进行激光冷却。

冷却阶段

该研究发表在《Nature》杂志上，根据其描述，Doyle及其同事首先在冷却至2 K左右的两级缓冲气体池中产生CaOH分子。然后，在进入MOT之前，通过反向传播激光束将CaOH分子减慢至约10 m/s。在那里，它们同时被捕获和冷却，因为它们从六束激光中散射数千个光子，这些激光束根据分子在四极磁场中的位置而调谐或不共振。作为最后一步，研究人员关闭磁场，通过所谓的“光学糖蜜”阶段对分子进行进一步冷却。在这一阶段，冷却后的分子在3D空间中受到的力会减缓其运动，就像一个人在糖蜜桶或其他粘性液体中涉水一样。

Doyle说，从一维激光冷却到三维冷却的最大挑战是调整慢光束的来源，以优化分子的产生及其速度。与之前报道的三原子分子关联实验相比，Doyle说，他的团队的CaOH分子样品处于电子基态，因此易于单量子态控制（进入任何旋转或振动状态）。他说，另一个优点是，利用传统的光子循环方法，可以以高保真度的光学方式检测CaOH，在这种方法中，数千个光子从每个分子中散射出来，并在相机上进行检测。

超冷化学的里程碑

中国科技大学的物理学家赵博没有参与这项研究，他说，这项工作最重要的部分是研究人员将三原子分子限制在三维磁光阱中。他说，这是一个里程碑，因为它使研究涉及多原子分子而不仅仅是双原子分子的超冷碰撞和反应成为可能，极大地丰富了超冷化学领域。这一点非常重要，因为即使对于分子束实验，研究涉及冷多原子分子的碰撞和反应也非常困难。

Doyle说，该团队的下一个目标是用CaOH分子加载光镊阵列，并测量它们之间的量子门耦合。他告诉《物理世界》，说：“三原子分子有一个质的不同性质，即存在角动量轴承振动弯曲模式。这些模式是“一个巨大的科学新工具”，因为它们应该可以在量子模拟和量子计算中使用多原子分子进行实验。”