Parity-doublet spin interactions in ultracold polyatomic molecules
本研究展示了通过利用弗洛凯工程（Floquet engineering）来抑制多体退相干，从而在编码于宇称双重态中的激光冷却 CaOH 分子中实现对共振偶极交换相互作用的观测与控制，并建立一个用于增强基本物理学精密测量的相干且可编程的平台。
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分子通常被认为是简单的构建模块，但在量子物理的世界中，它们是能够揭示宇宙最深层奥秘的精密仪器。科学家利用它们来搜寻微小的对称性破缺——即自然法则中微妙的断裂，这可能解释了为什么宇宙是由物质而非反物质组成的。为此，研究人员寻找分子内部特定的能量状态对，这些状态几乎完全相同，但具有相反的“手性”，即宇称。这些能量对对外部力量极其敏感，充当着精密的传感器。然而，为了获得尽可能精确的读数，科学家需要超越逐个观察单个分子的模式。他们需要创造出一大群分子，使它们作为一个单一的、纠缠的单元共同作用。长久以来的挑战在于，如何在不破坏其脆弱量子态的情况下让这些分子发生相互作用，尤其是在它们于陷阱中自由移动时，这一直是一个难题。
哈佛大学的一个研究小组现在通过展示如何控制超冷多原子分子之间的相互作用，在解决这一问题上迈出了重要一步。他们使用氢氧化钙分子，将其冷却至60微开尔文，并将其捕捉在由交叉激光束创造的小体积空间内。在陷阱内部，研究人员将这些分子制备成一种特殊状态，使其可以存在于两种略微不同的能量构型中，研究人员将这两种构型视为微小量子自旋的“上”和“下”状态。由于这两个状态如此相似却具有相反的宇称，它们可以通过一种被称为偶极相互作用的长程力来交换能量，从而有效地在陷阱中进行“对话”。
研究人员观察到了分子正在发生相互作用的两个明确迹象。首先，他们注意到，当他们将分子制备在特定的状态叠加中时，随着向陷阱中添加更多分子，集体信号的清晰度会更快地消退。这种消退（或称去相位）现象之所以发生，是因为分子在移动，并且根据所处位置的不同经历着略微不同的相互作用，从而产生了一种由于效应分布不均而导致的计时紊乱。其次，他们制备了具有特定“上”和“下”状态不平衡的分子，并观察到整个群体如何根据分子数量及其初始平衡程度进行旋转或进动。这些观察结果证实了分子正在进行共振能量交换，表现得像是一群互相影响的微型磁铁。
为了证明这种行为完全符合预期，团队使用了一个复杂的计算机模型，该模型模拟了分子的随机运动及其相互作用。该模型依赖于独立测量的陷阱和分子属性，能够高精度地预测信号消退的速率以及旋转的速度。实验结果与模拟结果之间的高度一致，证实了研究人员已成功分离并控制了在用于精密传感的同一状态下的共振偶极交换相互作用。
在确立了能够控制这些相互作用之后，团队接着提出了一个问题：他们能否利用这种控制力来保护分子免受正是导致信号消退的去相位影响。他们意识到，如果能让分子之间的相互作用变得完全对称，那么由随机运动引起的无序将不再会破坏它们的集体相干性。为了实现这一点，他们使用了一种称为“Floquet工程”的技术，该技术涉及使用精确的射频脉冲快速切换分子的自旋状态取向。通过精心设计这些切换的时机，他们可以有效地平均化不同类型的相互作用，从而创造出一个新的、经过工程化处理的环境，在这个环境中，分子的行为仿佛是在一种完美的对称相互作用下进行的。
当他们在这种工程化环境中进行测试时，发现即使分子仍在移动且彼此间的单个相互作用仍处于无序状态，集体的信号依然能保持稳定。这表明，通过调节相互作用的对称性，他们可以创造出一个受保护的机制，使分子能够保持纠缠和相干。这一发现意义重大，因为它展示了一条路径，即利用高密度分子群来创造能够抵御自身运动噪声的纠缠态。它将宇称双重态从简单的、长寿命的探测器，转变为一种可编程的资源，可用于生成并保护下一代基础物理实验所需的复杂量子关联。
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