第一个在超低温下实现的四原子超分子

超冷原子和分子的研究是物理学中最前沿和最令人兴奋的领域之一，它们的运动几乎停止，只受量子力学的规律支配。在这样的极端条件下，原子和分子会展现出一些非常奇妙和有趣的性质，比如超流性、玻色-爱因斯坦凝聚、量子相变等等。这些性质不仅可以帮助我们理解物质的本质，还可以为实现新型的量子技术和量子信息处理提供可能性。

大多数超冷原子和分子的实验都是用双原子分子，也就是由两个原子组成的分子，比如氢分子、碱金属分子等。这是因为双原子分子相对简单，容易制备和操纵。但是，如果我们想探索更复杂的分子，比如三原子分子、四原子分子甚至更多原子的分子，我们会遇到很多困难。首先，复杂分子的内部结构更加丰富，有更多的能级、振动模式和旋转模式，这使得它们的冷却和控制变得更加困难。

其次，复杂分子之间的相互作用也更加复杂，有更多的碰撞通道和化学反应，这使得它们的稳定性和寿命变得更低。因此，目前实现超冷复杂分子的方法非常有限，而且效率非常低，只能制备出少量的分子，而且温度也远远高于超冷的标准。

那么，有没有一种方法可以突破这些限制，实现大量的超冷复杂分子呢？答案是肯定的，而且这种方法非常巧妙和创新。这就是最近一篇发表在《自然》杂志上的论文所介绍的方法。他们利用了一种叫做电场联结的现象，成功地制备出了大约1100个超冷的四原子分子，也就是由两个双原子分子组成的分子。这些四原子分子的温度只有134纳开尔文，比之前实现的四原子分子的温度低了3000倍，而且具有很高的相空间密度，达到了0.04。这些四原子分子还具有很好的稳定性，即使在自由空间或光学阱中，它们的寿命也可以达到8毫秒，这足以进行很多有趣的物理实验。更重要的是，这种方法是通用的，可以用来制备任何类型的超冷复杂分子，只要它们由极性分子组成。

那么，这种电场联结的现象是什么呢？它是一种利用外加电场来调节分子之间的相互作用的技术，可以使分子形成一种新的束缚态，叫做电场联结态。这种态的特点是，它不是由分子之间的本征相互作用产生的，而是由外加电场产生的。也就是说，如果没有电场，这种态就不存在，分子就会飞散开来。这就好比用一根绳子把两个或多个球绑在一起，如果没有绳子，球就会自由运动，如果有绳子，球就会形成一个稳定的结构。这种电场联结态的好处是，它可以很容易地通过调节电场的强度和方向来控制，而且不受分子的内部结构和化学性质的影响。这就为实现超冷复杂分子提供了一个非常灵活和有效的手段。

那么，这种电场联结态是如何实现的呢？首先，我们需要有一种极性分子，也就是具有电偶极矩的分子。这种分子的电偶极矩可以被外加电场极化，从而产生一个电场诱导的电偶极矩。这个电偶极矩可以与其他分子的电偶极矩相互作用，从而产生一个电偶极-电偶极相互作用。这种相互作用是吸引的，而且随着分子之间的距离的增加而快速衰减，所以它可以形成一种弱束缚的分子态，叫做电偶极分子。这种电偶极分子的能量和寿命都取决于电场的强度和方向，以及分子的相对取向。

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如果电场很强，或者分子的相对取向与电场平行，那么电偶极分子的能量就会很低，寿命就会很长。如果电场很弱，或者分子的相对取向与电场垂直，那么电偶极分子的能量就会很高，寿命就会很短。这就意味着，我们可以通过改变电场的强度和方向，来控制电偶极分子的形成和解除。这就是电场联结的基本原理。