Formation of bosonic $^{23}$Na$^{41}$K Feshbach molecules

在实验室最寒冷的角落，温度降至接近绝对零度的极微小差距，原子失去了各自的混沌状态，开始作为一个统一的波进行运动。这是超冷量子气体领域，科学家们通过操纵物质来揭示其最基本的行为。在这一领域中，最令人兴奋的工具之一是费施巴赫分子（Feshbach molecules），它们是由原子对组成的，其结合力并非来自构成水或空气的强化学键，而是一种微妙且可调控的磁力。通过调节外部磁场，研究人员可以调节原子之间的吸引强度，使它们从自由漂浮的粒子转变为弱结合的原子对。这些分子是一个至关重要的阶梯。如果科学家能够进一步冷却它们并将其锁定在最低能量状态，它们就会变成具有永久电偶极矩的稳定、强相互作用粒子。这类粒子可以像微型磁铁一样进行远距离通信，为模拟复杂材料、测试物理定律以及构建未来的量子技术提供新的平台。

韩国浦项科技大学的研究团队现在通过使用钠和钾原子，创造了一种特定类型的此类超冷分子，从而向这一目标迈出了重要一步。虽然之前的实验已成功利用其他元素组合创造了类似的分子，但该小组专注于一种玻色型钠-23和钾-41。这种特定的配对备受青睐，因为所涉及的原子具有使其成为形成大型、稳定量子物质云的极佳候选者的特性。该团队的主要成就在于成功创造了这些分子，并详细绘制了它们在解体前能存活多久的图谱，为旨在创造这些粒子的完全量子简并气体的未来实验提供了清晰的路线图。

这一过程始于被束缚在激光束中的超冷钠和钾原子混合物。原子被冷却到低至170纳开尔文的温度，在这种状态下，它们的运动极其缓慢。为了将它们结合在一起，研究人员施加了一个约73.6高斯的特定磁场，在此设置下，原子自然倾向于配对。随后，他们使用精确的射频脉冲轻轻推动原子，使其从自由状态进入弱结合的分子状态。这种被称为射频缔合（radio-frequency association）的技术，就像一个音叉，通过匹配自由原子与新分子之间的能量差，让这对原子能够“咔哒”一声结合在一起。在单次脉冲中，团队成功地从热云中创造了超过10,000个这样的钠-钾分子。

分子形成后，研究人员需要了解其性质，以确保它们可以用于进一步冷却。他们通过扫描射频并观察分子何时出现，测量了维持分子结合的能量。这使他们能够精准定位发生配对的精确磁场位置，并确定了共振宽度，结果显示该宽度相当宽，为5.1高斯。宽共振是一个非常有价值的特性，因为它意味着科学家可以在较宽的范围内调节原子间的相互作用，而无需精准命中某个单一且难以达到的磁场数值。这种鲁棒性使得该系统在未来的实验中更易于控制。

这些分子的稳定性或许是其未来用途中最关键的因素。研究人员测量了分子在陷阱中存活的时间，即在与其他原子碰撞并解体之前能维持多久。当分子处于原始的钠和钾原子混合物中时，它们的存活时间超过2毫秒。然而，当研究人员从陷阱中移除剩余的钠原子后，分子的寿命显著延长，达到了约7毫秒。这种寿命的增加至关重要，因为它为科学家执行下一步实验（例如使用激光脉冲将分子转移到其最低能量状态）提供了足够的时间。团队发现，这种寿命在不同的磁场设置下保持一致，这表明这些分子对于通常会破坏它们的碰撞具有内在的稳定性。

为了准确理解这些分子是如何形成及损耗的，团队开发了一个数学模型，用于追踪分子和原子的数量随时间的变化。他们发现，分子的产生主要受限于射频将原子结合在一起的速度，而非分子立即解体。他们的模型显示，分子的损失主要是由于与剩余的钠原子发生碰撞，并且这种损失比与钾原子的碰撞发生得更为频繁。通过调整陷阱中钠与钾原子的比例，他们优化了这一过程，实现了创造最多数量分子的目标，峰值达到11,000个。这种定量化的理解使他们能够预测在不同条件下会获得多少分子，从而消除了过程中的猜测。

这些结果为下一阶段的研究奠定了坚实的基础。团队已经证明，他们可以产生大量具有高密度的此类特定分子，这是将其进一步冷却为量子简并气体的先决条件。由于这些分子可以稳定存在数毫秒，因此有充足的时间应用复杂的激光技术，将它们移动到绝对基态，届时它们将具有化学稳定性并准备好进行先进的量子模拟。随着这些玻色钠-钾分子的成功创造与表征，探索强相互作用偶极气体丰富物理特性的路径现已明朗，这可能导致在宏观尺度上如何理解量子物质行为方面的新发现。