马克斯普朗克量子光学研究所(MPQ)的实验家和中国科学院(CAS)的理论家团队首次成功地填充并稳定了一种新型分子，即所谓的场联四原子分子。这些“超级分子”非常脆弱，只能在超冷温度下存在。长期以来人们一直怀疑它们的存在，但迄今为止从未通过实验证明过它们的存在。

这项新研究中创建的多原子分子由两个以上的原子组成，并已成功冷却至 134 纳开尔文，比之前创建的四原子分子的温度低 3,000 多倍。这一成果不仅是分子物理学领域的一项新壮举，也是奇异超冷物质研究向前迈出的重要一步。该研究发表在《自然》杂志上。

大约二十年前，美国理论物理学家约翰·博恩和他的同事预测了极性分子之间的一种新型结合：如果分子带有不对称分布的电荷(物理学家称之为极性)，它们就可以在电场中结合形成弱结合的“超分子” ”。

这些极性分子的行为可以被认为是硬壳内的指南针。当靠近时，罗盘指针会受到比地球磁场更强的吸引力，并且它们彼此指向而不是对准北方。

极性分子也可以观察到类似的现象，在特定条件下，极性分子可以通过电力形成独特的束缚态。他们的关系有点让人想起一对跳舞的情侣，紧紧拥抱在一起，同时又不断保持一定的距离。

超分子的束缚态远弱于典型的化学键，但同时也更长。超分子的键长比正常结合的分子长数百倍。

由于这种长程特性，此类超分子具有高度敏感性：如果电场参数在临界值处仅发生很小的变化，分子之间的力就会发生巨大变化，这种现象被称为“场联共振”。 ”这使得研究人员能够利用微波场灵活地改变分子的形状和大小。

三个部分的游戏：从双原子分子到四原子分子

超冷多原子分子包含丰富的内部结构，为冷化学、精密测量和量子信息处理提供了令人兴奋的新可能性。然而，与双原子分子相比，它们的高度复杂性对直接激光冷却和蒸发冷却等传统冷却技术的使用提出了重大挑战。

MPQ“NaK实验室”(钠钾实验室)的研究人员在罗新宇博士、Timon Hilker博士和Immanuel Bloch教授的带领下，近年来取得了一系列开创性的发现并在《自然》杂志上发表，对于最终克服这一挑战至关重要。

首先，2021年，该实验室的研究人员发明了一种利用高功率旋转微波场对极性分子进行新型冷却技术，从而创造了新的低温记录：在-273.15摄氏度的温度下比绝对零度高21亿分之一度。

一年后，研究人员成功创造了必要的条件，首次在散射实验中观察这些分子之间的结合特征。这为这些理论上长期预测的奇异结构的存在提供了第一个间接证据。

现在，甚至有直接的证据表明研究人员已经能够在实验中创造并稳定这些超分子。这些“超级分子”的成像揭示了它们的p波对称性——这是一个独特的特征，对于实现拓扑量子材料至关重要，而拓扑量子材料反过来又与容错量子计算相关。

“这项研究将产生直接而深远的影响，”陈星彦博士说。候选人和论文的第一作者。 “由于该方法适用于广泛的分子种类，因此它可以探索更多种类的超冷多原子分子。在未来，它可以创造更大、寿命更长的分子，这对于精确度特别感兴趣计量学或量子化学。”

“我们得出这些发现还得益于我们与中科院石涛教授及其团队的密切合作，”该实验的首席研究员罗博士补充道。 “我们的下一个目标是进一步冷却这些玻色‘超级分子’，形成玻色-爱因斯坦凝聚体(BEC)，其中分子集体移动。这一前景对于我们对量子物理学的基本理解具有重要潜力。更令人惊奇的是，通过只需调整微波场，‘超级分子’的 BEC 就可以转变成一种新型的费米子分子量子流体，并保留特殊的 p 波对称性。”

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