圖中是鉀銣極性分子氣體（左圖）密度越來越大，溫度越來越低，達到量子簡併態（右圖），在此狀態下，單個分子的物質波重疊，形成一個相互依賴的系統。研究人員已經開發出一種工具來開啟超冷分子的量子氣體，從而獲得對遠距離分子相互作用的控制，為量子計算和模擬等潛在應用編碼數據。
將分子氣體控制在最低能量狀態的方法被稱為量子簡併，同時抑制分子的化學反應，使探索分子相互作用的奇異量子態成為可能。
這項研究發表在12月10日出版的《自然》雜誌上。研究員葉俊說：「分子以它們的遠距離相互作用而聞名，這可以帶來奇異的量子物理學和量子信息科學的新控制。」「然而，直到現在，還沒有人知道如何在大量氣體中開啟這些遠距離的相互作用。」
現在，這一切都改變了。新的研究首次表明，我們可以用電場來操縱分子間的相互作用，讓它們進一步冷卻，並探索所有分子相互耦合的集體物理現象。長期以來，研究人員一直試圖用控制原子的方法來控制超冷分子。分子提供了額外的控制手段，包括許多不同的振動和旋轉。
新的實驗在大約零下273攝氏度的溫度下，創造了一種含有大約20000個被困的鉀銣分子的緻密氣體。至關重要的是，這些分子是極性的，在銣原子上帶正電荷，在鉀原子上帶負電荷。這些正電荷和負電荷之間的差異，被稱為電偶極矩，使這些分子表現得像微小的羅盤磁鐵，它們對電場敏感。
當氣體冷卻到接近絕對零度時，分子不再像粒子那樣運動，而是像重疊的波那樣運動。這些分子之所以分開是因為它們是費米子，費米子是一類不能在同一時間處於同一量子狀態和位置的粒子，因此它們會相互排斥。但它們可以通過重疊的波、電偶極矩和其他特徵進行遠距離的相互作用。
在過去，研究人員通過磁場和雷射操縱一種包含兩種原子的氣體，創造了分子量子氣體。這一次，研究人員首先將混合的氣體原子裝入由雷射形成的光學晶格陷阱中。然後，研究人員利用磁場和雷射將原子對結合在一起形成分子。剩下的原子被加熱，並通過調諧雷射來激發每種原子特有的運動。然後，將分子雲放置在由兩塊玻璃板和四根鎢棒組成的新的六電極組裝中心，研究人員生成了一個可調諧電場。
電場引發了分子之間的排斥性相互作用，穩定了氣體，減少了非彈性碰撞，在這種碰撞中，分子發生化學反應並逃離陷阱。這項技術在抑制化學反應的同時，將彈性相互作用的速率提高了一百倍。
這種環境允許氣體蒸發冷卻到低於量子簡所需要的溫度。冷卻過程將最熱的分子從晶格陷阱中移除，並允許剩餘的分子通過彈性碰撞調整到較低的溫度。在數百毫秒的時間裡，緩慢地打開水平電場，降低了一個方向上的捕集強度，讓熱分子逃逸，剩餘的分子冷卻下來。在這個過程的最後，分子回到了它們最穩定的狀態，但是處於密度更大的氣體中。
新的方法可以應用於從其他類型的極性分子中生成超低溫氣體。超冷分子氣體可能有許多實際用途，包括利用極性分子作為量子比特進行量子計算、對量子現象的模擬和改進以及用於精密測量，這些工具能夠探索新的物理理論。