马克斯·普朗克量子光学研究所的实验家和中国科学院的理论家团队首次成功地填充和稳定了一种新型分子，即所谓的场连接四原子分子。这些“超分子”非常脆弱，只能在超低温下存在。长期以来，人们一直怀疑它们的存在，但直到现在才通过实验证明它们的存在。
在这项新研究中产生的多原子分子由两个以上的原子组成，并已成功冷却到134纳开尔文 - 比先前创建的四原子分子的温度低3000多倍。这一成就不仅是分子物理学的一个新壮举，也是奇异超冷物质研究的重要一步。该研究发布在《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：如果分子携带不对称分布的电荷，它们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。当罗盘指针靠得很近时，会经历比地球磁场更强的吸引力，它们相互指向而不是向北对齐。
在极性分子中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，他们紧紧地抱着对方，同时不断保持一定的距离。
超分子的结合状态比典型的化学键弱得多，但同时也更长。超分子共享的键长距离比正常结合的分子长几百倍。
由于这种长程特性，这种超分子是高度敏感的：如果电场的参数在临界值处只改变一点点，分子之间的力就会发生剧烈变化，这种现象被称为“场联共振”。这使研究人员能够灵活地改变微波场分子的形状和大小。
该剧分为三个部分：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，它们的高复杂性对采用传统冷却技术提出了重大挑战。
MPQ的“NaK实验室”的研究人员在Xin-Yu Luo博士、Timon Hilker博士和Immanuel Bloch教授的领导下，近年来取得了一系列开创性的发现，并在《自然》杂志上发布，这些发现对于最终克服这一挑战至关重要。
首先，在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的新型极性分子冷却技术，从而创造了新的低温记录：在零下273.15摄氏度时，绝对零度以上210亿分之一度。
一年后，研究人员成功地创造了必要的条件，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，因为研究人员已经能够在他们的实验中创造和稳定这些超级分子。这些“超分子”的成像揭示了它们的p波对称性，这是一个独特的特征，对于拓扑量子材料的实现至关重要，而拓扑量子材料又可能与容错量子计算有关。
“这项研究将产生直接而深远的影响，”博士候选人和论文第一作者Xing-Yan Chen说。由于该方法适用于广泛的分子种类，因此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，这对精密计量学或量子化学特别有意义。
“我们得出这些发现也要归功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子'超分子'，形成玻色-爱因斯坦凝聚体，分子聚集在一起。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，通过简单地调整微波场，'超分子'的BEC可以转化为费米子分子的新型量子流体，同时保持特殊的p波对称性。
