由于其丰富的内部结构，超冷多原子分子为冷化学、精密测量和量子信息处理提供了机会。然而，与双原子分子相比，它们的复杂性增加了，这对使用传统冷却技术提出了挑战

      2024年1月31日，中国科学院理论物理研究所石弢及德国马普学会量子光学研究所罗鑫宇共同通讯在Nature 在线发表题为“Ultracold field-linked tetratomic molecules”的研究论文，该研究展示了一种通过电场连接共振在微波修饰极性分子的简并费米气体中通过电缔合产生弱束缚超冷多原子分子的方法。

      从基态NaK分子开始，在134(3)nK的温度下创造了大约1.1 × 103个弱结合四原子(NaK)2分子，其相空间密度为0.040，比以前实现的四原子分子低3000多倍。观察到四聚体在自由空间的最大寿命为8(2)ms，在光学偶极子阱的存在下没有明显的变化，表明这些四聚体是碰撞稳定的。此外，通过微波场调制直接成像解离的四聚体，以探测其波函数在动量空间中的各向异性。该研究结果展示了一种从较小的极性分子组装弱束缚超冷多原子分子的通用工具，这是朝着多原子分子的玻色-爱因斯坦凝聚和从偶极Bardin-Cooper-Schrieffer超流体到玻色-爱因斯坦四聚体凝聚的新交叉迈出的关键一步。此外，长寿命的场连接态为确定性光转移到深度结合的四聚体态提供了理想的起点。

      分子表现出丰富的内部和外部自由度，只有在超冷温度(<1 mK)下才能完全控制。例如，在定义良好的量子态下制备的超冷分子可以在前所未有的水平上研究量子动力学、具有状态对状态控制的化学反应和量子散射。偶极分子中高度可调的远程相互作用也产生了多体现象，如奇异的偶极超固体和p波超流体。此外，超冷多原子分子已经成为各种应用的强大平台，包括超标准模型物理测试、非平衡动力学测试和量子信息处理测试，因为它们比双原子分子具有更多的自由度。

      最近在分子冷却领域取得了显著进展，使双原子偶极分子的超冷气体中的量子简并成为可能。然而，对于较大的分子，由于其增加的复杂性和不利的碰撞特性，达到超冷状态仍然具有挑战性。直接冷却技术，如缓冲气体冷却、超音速膨胀、光束减速、冷冻和光电西西弗斯冷却，只能勉强达到超冷温度。激光冷却较大的多原子分子是一个活跃的研究领域。

      尽管对称的顶部分子已经在一维空间中被激光冷却了，但对于大分子(四原子或更大)的激光冷却在三维空间中的效率如何，以及是否能达到低于亚微开尔文的温度，还有待观察。最近，超冷分子的Feshbach共振磁结合已扩展到100 nK状态下的弱结合三原子NaK2分子，其中分子继承了原子-双原子分子混合物的低温。然而，这种技术需要在碰撞伙伴之间有可分辨的费什巴赫共振。对于较大的多原子分子，大量的中间碰撞态及其在近距离的快速损失机制导致了几乎普遍的碰撞损失率，从而防止了这些费什巴赫共振的发生。

场连接四聚体的电缔合（图源自Nature ）

      该研究展示了一种以前未知的和一般的方法，通过电结合较小的极性分子来形成弱结合的超冷多原子分子。在微波修饰态的费米子NaK分子对中通过场连接散射共振使微波场加速，从而产生超冷四原子(NaK)2分子。这种方法得益于场连接共振的普适性，可以应用于任何具有足够大偶极矩的分子。研究人员在解离阈值附近测量了高达8(2)ms的场连接四聚体的寿命，并实现了0.040(3)的相空间密度。通过飞行时间后的微波场调制解离，可以直接对四聚体进行成像，并显示出预期的各向异性角分布。该研究已经创建并表征了场连接四原子(NaK)2分子，这是迄今为止在100 nK状态下获得的第一个四原子分子。由于场联共振的普遍性，该方法可以推广到广泛的极性分子，包括更复杂的多原子分子。该研究提供了一种组装弱束缚超冷多原子分子的通用方法，并为研究几种量子多体现象开辟了可能性。