三原子分子被激光冷却和捕获

作者：约翰娜·L·米勒

编译：纯珍

图片来源：Loïc Anderegg

随着从两个原子到三个甚至更多原子的进步，适合超冷技术的分子可能开始类似于大多数化学家所认识的分子。

激光可以将中性原子冷却到亚毫开尔文温度的发现彻底改变了量子多体物理学和精密计量学的研究。利用激光冷却的碱金属原子云——钠、钾、铷和铯，研究人员探索了玻色-爱因斯坦凝聚、凝聚态系统的量子模拟、高精度的原子钟等等。激光冷却装置现在非常常规，可以制成可运输的包装，以便带出实验室并进入现场。

它不再只是原子：目前对超冷分子主题的研究很积极。但是正在研究的分子并不是你在化学课上记得的那些。相反，它们通常是外来物种，例如 KRb，因为研究人员通过将已经冷却的碱金属原子组装成超冷分子。

也可以直接对分子进行激光冷却，但这种方法也有其挑战和局限性。与原子不同，分子包含像弹簧一样振动的化学键。用激光光子反复激发会拉伸弹簧并使它们运动。很多时候，分子根本没有冷却，最终会充满振动能量。

如果分子的基态和激发态在平衡态形状上几乎相同，那么这个问题就可以得到缓解，然后这些状态之间的任何循环都不会过度拉伸键。符合要求的分子包括由碱土金属原子（如锶或钙）与另一个原子（如氟）结合而成的分子。金属原子有一个额外的电子，不参与化学键，因此可以在不改变分子形状的情况下，被激发到更高能量的轨道。事实上，SrF 是第一个被激光冷却的双原子分子，CaF 紧随其后。

现在，哈佛大学的 John Doyle 及其同事发现，同样的原理适用于与由多个原子组成的化学基团结合的碱土金属原子：氢氧化锶 (SrOH) 和氢氧化钙 (CaOH)，而不是 SrF 和 CaF。三原子分子的冷却比二原子分子更复杂，因为它们可以以更多方式振动，并具有更多可用的量子态。

对于分子可能达到的每个振动状态，研究人员需要添加一个专用的激光频率，以将其推回无振动基态。Doyle 及其同事发现，使用 12 种激光频率，它们可以使 CaOH 分子的行进速度减慢到停止，将它们限制在磁光阱中，并在低于1 mK的温度下保持数十毫秒。在短时间的额外冷却脉冲下，温度下降到110µK。

为什么要费心冷却和捕获三原子分子——或者说双原子分子？除了研究超冷状态下的化学反应，研究人员还在基础物理学测试中使用超冷分子：检查电子是否具有永久电偶极矩，寻找镜像分子之间宇称破坏的证据，甚至寻找暗物质。分子的原子越多，其内部结构就越丰富（例如，具有几乎相同能量的不同量子态对）可能证明对这些测试有利。

如果激光冷却可以应用于更大的分子，正如 Doyle 及其同事的初步工作所表明的那样，那么灵活性就会更加复杂。原则上，一个可激光冷却的分子只需要一个碱土金属原子作为冷却中心；利用已知的化学原理，分子的其余部分可以按顺序设计。哈佛研究人员已经冷却（但尚未捕获）一甲醇钙或 CaOCH 3。与加州大学洛杉矶分校的 Anastassia Alexandrova 小组合作的理论工作（以 Anna Krylov 和 Svetlana Kotochigova 小组的类似工作为基础）发现，即使是一氧化钙（一种与苯环相连的 CaO 基团）也显示出冷却的希望。

文章来源：https://physicstoday.scitation.org/do/10.1063/PT.6.1.20220616a/full/