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研究背景

超冷偶極分子是一種備受關注的研究領域，因其具有長程相互作用而成為了研究熱點。這種長程相互作用可以通過外部電場調節，從而為探索新奇的量子現象和物態提供了新的可能性。

然而，超冷偶極分子研究面臨著快速損失的挑戰，這一問題一直困擾著科學家們。由于量子統計的束縛效應，玻色子分子的損失特別嚴重，而這導致了實現玻色-愛因斯坦凝聚（BEC）的困難。

成果簡介

為了解決這一問題，哥倫比亞大學物理學家塞巴斯蒂安·威爾（Sebastian Will）團隊提出了采用增強的碰撞屏蔽技術來減輕這一挑戰。他們通過強烈抑制二體和三體損失，成功地將超冷鈉-銫（NaCs）分子的集合從高溫蒸發冷卻到量子退化，并跨越了BEC的相變。相關研究在“Nature”期刊上發表了題為“Observation of Bose–Einstein condensation of dipolar molecules”的最新論文。他們的研究結果表明，采用這種策略可以有效克服損失問題，為超冷偶極分子領域的進一步研究和應用提供了新的可能性。

研究亮點

1. 實驗首次實現了偶極分子的玻色-愛因斯坦凝聚（BEC）。

2. 通過強烈抑制二體和三體損失，實現了鈉-銫（NaCs）分子的BEC。蒸發冷卻過程將分子從700(50) nK冷卻到6(2) nK。

3. 實驗中觀察到了BEC的明顯跡象，包括相空間密度超過臨界值時的雙峰分布。

4. 通過實驗證實，BEC中凝聚物質的分數達到60(10)%，并且BEC表現出穩定性，其1/e壽命達到1.8(1) s。

5. 實驗結果表明，分子現在具有了類似于原子的量子控制程度，這擴展了可以研究的量子系統的范圍。

圖文導讀

圖1：通過微波屏蔽實現了偶極NaCs分子的玻色-愛因斯坦凝聚態Bose–Einstein condensate，BEC。

圖2. 分子玻色-愛因斯坦凝聚態BEC的形成。

圖3. NaCs分子蒸發冷卻至量子簡并。

圖4：飛行時間擴展。

圖5: 玻色-愛因斯坦凝聚態BEC壽命。

結論展望

本研究揭示了偶極分子在量子系統控制和多體物理研究中的巨大潛力。首次實現偶極分子的BEC不僅是一個技術上的突破，更是對理論預言的有力驗證，證明了量子退化偶極分子可以成為探索新奇量子相的理想平臺。通過精心設計的微波屏蔽技術，我們成功地抑制了損失并創造了適合于弱相互作用的玻色氣體的條件，為探索強偶極量子物質奠定了基礎。

此外，鈉-銫分子作為具有較大偶極矩的代表性系統，為調節弱至強偶極區域提供了理想的平臺，這在其他偶極系統中難以實現。未來的研究將集中在將這種弱相互作用的玻色氣體轉變為強相互作用系統，并探索其在量子模擬、量子信息和多體物理方面的潛在應用。這項工作不僅擴展了我們對量子物質的認識，還為未來量子技術和基礎研究的發展提供了新的方向和可能性。

文獻信息

Bigagli, N., Yuan, W., Zhang, S. et al. Observation of Bose–Einstein condensation of dipolar molecules. Nature (2024). https://doi.org/10.1038/s41586-024-07492-z.

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