Parity-doublet spin interactions in ultracold polyatomic molecules
本文报道了对编码在宇称双重态中的激光冷却 CaOH 分子中共振偶极交换相互作用的观测与控制，展示了通过在 SU(2) 对称点附近进行 Floquet 工程化抑制退相干，从而建立一个用于增强基本物理测量精度的相干且可编程平台的成果。
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宇宙中充满了我们无法看见的微小力量，然而它们却是理解从恒星诞生到物质基本规律等一切事物的关键。长期以来，科学家一直利用原子和分子作为敏感的工具来搜寻这些隐藏的力量，寻找我们当前物理学理解中的裂痕。为此，他们经常依赖一种特殊的分子，这种分子就像是一个微观指南针。这些分子具有独特的内部结构，其中两个状态并存，它们几乎完全相同，但在镜像反射方面存在细微差异。由于这些状态如此相似，它们极其稳定，使科学家能够长时间地将它们保持在一种微妙的平衡之中。这种稳定性使它们成为测量最微弱信号的完美工具，但为了让它们变得更加强大，研究人员需要让这些分子在不失去这种微妙平衡的情况下相互“交谈”。
哈佛大学的一个研究小组现在向这一目标迈出了重大一步，他们教会了一团超冷分子如何以受控的方式进行相互作用。他们使用氢氧化钙分子，将其冷却到仅比绝对零度高出极微小温度的状态，并将它们捕捉在由激光组成的微型笼子中。在这个陷阱内，分子被准备在一种特定的量子态中，即一种可以同时以两种形式存在的条件。科学家们随后观察了当这些分子被允许相互影响时会发生什么。他们发现，分子可以进行能量的往复交换，这一过程被称为共振偶极交换。这种相互作用导致群体的集体行为发生了两种截然不同的变化：随着分子数量的增加，它们失去同步节奏的速度变快了；并且，它们旋转内部取向的速度开始取决于处于一种状态与另一种状态中的分子数量比例。
研究人员能够使用一个追踪每个分子运动和相互作用的计算机模型来精确描述他们所观察到的现象。该模型与他们的实验数据完美匹配，证实了这些分子确实正在进行某种特定类型的量子对话。然而，该团队并未止步于仅仅观察这种相互作用；他们想看看是否可以通过控制它来使分子成为更优秀的传感器。他们发现，通过使用无线电波快速切换分子的取向，可以改变相互作用的性质。当他们将这种切换调节到特定的设置时，通常发生在密集分子群中的那种混沌失步现象消失了。相反，分子维持了它们的集体秩序，这种秩序受到一种对称性的保护，使得它们尽管存在随机运动，却仍能保持步调一致。
这种能够在产生新连接的状态与保持秩序的状态之间进行切换的能力是一项重大成就。它表明，这些此前仅被用作稳定个体传感器的宇称双重态（parity-doublet states），现在可以转化为复杂量子任务的可编程资源。这项工作表明，在未来，科学家们可以使用这些相互作用的分子来创造纠缠态，在这种状态下，分子彼此相连，从而能够以目前所能达到的最高精度来测量物理常数。通过证明这些相互作用是可以被设计和控制的，研究人员为利用超冷多原子分子来测试最深层的物理定律开辟了一条新途径，这有可能揭示出迄今为止仍隐藏着的新的粒子或力量。
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