城里出现了一种与培根、鸡蛋和奶酪毫无关系的热门新BEC。你不会在当地的杂货店找到它，而是在纽约最冷的地方：哥伦比亚物理学家塞巴斯蒂安·威尔的实验室，他的实验小组专门将原子和分子的温度推到仅比绝对零度高几分之一度。

《自然》杂志报道称，威尔实验室在荷兰拉德堡德大学理论合作者蒂斯·卡曼(TijsKarman)的支持下，成功地由分子创造出一种独特的物质量子态，即玻色-爱因斯坦凝聚态(BEC)。

他们的BEC由钠铯分子制成，冷却至仅5纳开尔文，即约-459.66°F，并且稳定时间长达两秒。与水分子一样，这些分子也是极性的，这意味着它们既带正电荷，又带负电荷。威尔指出，电荷的不平衡分布促进了长距离相互作用，从而产生了最有趣的物理现象。

Will实验室热切希望利用分子BEC开展的研究包括探索多种不同的量子现象，包括新型超流体，即一种无摩擦流动的物质状态。他们还希望将BEC变成模拟器，以重现固体晶体等更复杂材料的神秘量子特性。

他说：“分子玻色-爱因斯坦凝聚态开辟了全新的研究领域，从理解真正的基础物理学到推进强大的量子模拟。这是一项令人兴奋的成就，但这真的只是一个开始。”

这是威尔实验室的梦想成真，也是超冷研究界数十年来的梦想。

要更冷，可以加微波炉

微波是一种电磁辐射，在哥伦比亚大学有着悠久的历史。20世纪30年代，后来获得诺贝尔物理学奖的物理学家伊西多·艾萨克·拉比(IsidorIsaacRabi)在微波方面做出了开创性的工作，推动了机载雷达系统的发展。

“拉比是首批控制分子量子态的人之一，也是微波研究的先驱，”威尔说。“我们的工作继承了这一长达90年的传统。”

虽然你可能熟悉微波在加热食物中的作用，但事实证明，它也能促进冷却。单个分子倾向于相互碰撞，结果会形成更大的复合物，并从样品中消失。微波可以在每个分子周围形成小屏障，防止它们碰撞，这是他们在荷兰的合作者卡曼提出的一个想法。

作者尼科洛·比加利(NiccolòBigagli)解释说，由于分子受到保护而不受有损碰撞的影响，因此只有最热的分子会优先从样品中去除——这与你吹咖啡杯盖时咖啡杯会变凉的物理原理相同。留下的分子会更冷，样品的整体温度会下降。

去年秋天，该团队在《自然物理学》杂志上发表的论文中引入了微波屏蔽方法，几乎​​创造了分子BEC。但还需要进行另一个实验。当他们添加第二个微波场时，冷却变得更加高效，钠铯最终跨越了BEC门槛——这是威尔实验室自2018年在哥伦比亚大学成立以来一直怀揣的目标。

“这对我来说是一次很棒的结束，”比加利说，他今年春天获得了物理学博士学位，也是实验室的创始成员之一。“我们从还没有建立实验室到取得了这些惊人的成果。”

除了减少碰撞之外，第二微波场还可以操纵分子的方向。这反过来又是一种控制它们如何相互作用的方法，实验室目前正在探索这种方法。“通过控制这些偶极相互作用，我们希望创造出新的量子态和物质相，”合著者、哥伦比亚大学博士后伊恩·史蒂文森说。

量子物理学的新世界开启

叶是位于博尔德的超冷科学先驱，他认为这一成果是一项美丽的科学成果。“这项工作将对许多科学领域产生重要影响，包括量子化学研究和强关联量子材料的探索，”他评论道。“威尔的实验以精确控制分子相互作用为特色，以引导系统朝着预期结果发展——这是量子控制技术的一项了不起的成就。”

与此同时，哥伦比亚大学的研究团队很高兴能通过实验验证分子间相互作用的理论描述。“我们确实对这个系统中的相互作用有了很好的了解，这对于下一步的研究也至关重要，比如探索偶极多体物理学，”卡曼说。“我们想出了控制相互作用的方案，在理论上进行了测试，并在实验中实施了这些方案。看到这些微波‘屏蔽’的想法在实验室中实现，真是一次奇妙的经历。”

目前有几十种理论预测可以用分子BEC进行实验测试，共同第一作者、博士生张思伟指出，分子BEC非常稳定。大多数超冷实验在一秒钟内完成——有些短至几毫秒——但实验室的分子BEC持续时间长达两秒。“这将真正让我们研究量子物理学中的未解问题，”他说。

一个想法是制造人造晶体，将BEC困在激光制成的光学晶格中。威尔指出，这将实现强大的量子模拟，模仿天然晶体中的相互作用，这是凝聚态物理学的一个重点领域。

量子模拟器通常由原子制成，但原子具有短程相互作用——它们实际上必须彼此叠置——这限制了它们模拟更复杂材料的能力。“分子BEC将带来更多乐趣，”威尔说。

论文共同第一作者、博士生袁伟军表示，这包括维度。“我们希望在二维系统中使用BEC。当你从三维变成二维时，你总是可以期待新物理学的出现，”他说。二维材料是哥伦比亚大学的一个主要研究领域;拥有一个由分子BEC组成的模型系统可以帮助Will和他的凝聚态同事探索量子现象，包括超导性、超流体性等等。

威尔说：“这似乎是一个充满可能性的全新世界正在展现。”

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