实验装置：用于氟化铝（AlF）激光冷却的磁光阱

弗里茨·哈伯研究所分子物理学系的研究人员首次实现了对稳定“闭壳层”分子——氟化铝（AlF）的磁光囚禁。他们成功利用激光冷却氟化铝分子，并将其选择性地困在三个不同的旋转量子能级中，为超冷物理学开辟了新领域。

他们的实验为利用氟化铝开展先进精密光谱学和量子模拟研究开辟了道路。该成果已被《物理评论快报》接受发表，目前可在arXiv预印本服务器查阅。

将物质冷却至接近绝对零度（0 K，-273.15°C）的温度，如同为量子力学行为提供了显微镜，使通常模糊不清的物理现象变得清晰可见。经典历史案例包括：1911年在接近4K的汞金属中发现超导现象，以及分子氢因其“正氢”与“仲氢”自旋态产生的异常热力学行为。这些现象颠覆了当时的经典物理理论，既推动了量子力学的演进，也催生了追求更低温度的探索。

激光问世后，物理学家意识到可通过物质与光的相互作用实现冷却循环。单个光粒子（即“光子”）的影响微乎其微，但当其在冷却周期中累积数千次时，激光冷却便展现出惊人效能：最终可实现的温度约为零开尔文以上千分之一至百万分之一度（10^-3—10^-?K），这一领域通常被称为这通常被称为超冷状态。

磁光阱技术

近四十年来，科学家已能通过“磁光阱”制备超冷中性原子。该技术利用多束激光束与精确设计的磁场协同作用，将粒子禁锢并冷却至绝对零度以上千分之一度的极低温环境。这项关键技术催生了当今的光原子钟、原型原子量子计算机与模拟器，并实现了物质新相态的观测。

十余年前，研究人员首次成功实现双原子分子的激光冷却与捕获——这种最简单的化学化合物，其能量结构已远比原子复杂。尽管将分子引入超冷领域具有强烈的动机，但这种复杂性带来了巨大挑战。此前仅有少数含未成对电子的活性分子（常称“自旋双重态”物种）被装入磁光阱。

（a）实验装置示意图，展示分子束源、磁光阱及激光配置。（b）最低能级X1Σ?（v′′= 0）与A1Π（v′= 0）的旋转与超精细结构，展示了由L₀₀激光激发产生的Q(J)旋转谱线。

捕获化学稳定分子的挑战

分子物理学系的研究团队在最新研究中展示了可能颠覆超冷分子物理学的实验成果：他们首次实现了对“自旋单重态”分子——氟化铝（AlF）的磁光捕获。氟化铝具有极其强烈的化学键，结合其特殊性质，使其在所有激光冷却分子中具有最高的化学惰性。正因如此，该分子在实验室中更易高效制备，且在超冷实验中不易因化学反应而损耗。

但为何突破性进展直至今日才实现？需要大量能量才能拆解的分子，其电子能级间通常存在巨大能量间隙。这导致冷却所需的激光波长不断向紫外区域延伸，极大增加了实验难度。

冷却AlF分子需要四套激光系统，每套波长均接近227.5纳米。该波长位于光谱“深紫外”区域，是迄今用于捕获任何原子或分子的最短波长。实现AlF分子捕获需要激光技术和光学领域的新突破，这离不开产学研的深度合作。

磁光捕获AlF

电子排布很重要

铝氟化物之所以在量子科学领域展现巨大潜力，不仅在于其化学稳定性。该实验的另一独特之处在于，铝氟化物可通过激光冷却技术实现多旋转量子能级的捕获。弗里德里希斯海姆研究所团队仅需精细调节激光波长，便能在捕获装置中实现三个不同旋转能级的切换，并预期通过采用不同于当前的分子源，有望捕获更高能级的旋转态。

这一特性使AlF区别于迄今制备的其他激光冷却分子：后者仅能冷却并捕获单一旋转能级，而扩展至不同旋转能级则困难得多。

研究人员表示，他们的理想是利用紧凑廉价的蒸气源捕获AlF，类似于碱金属原子实验中的做法，初步实验表明，AlF分子能在室温真空壁碰撞中存活甚至达到热平衡状态，这极具前景。

实验室漫长征程终获突破性成果

这项里程碑式的成果凝聚了近八年的实验室艰苦探索：研究人员首先深入研究了AlF的谱学特性，随后开发并测试了用于捕获的深紫外技术，最终实现了激光减速与磁光捕获。这是团队的巨大贡献，该项成果在多方面得益于分子物理系卓越的研究环境、技术支持和资源保障。

最新成果拓展了超冷分子物理学的应用前景，激光冷却的AlF分子有望实现分子精确测量与量子控制的新突破。AlF分子尤为引人注目之处在于其存在长寿命的“亚稳态”电子态——电子自旋在此态中结合形成所谓的“自旋三重态”。该亚稳态可通过另一种紫外跃迁从基态达到，这为实现更低温条件开辟了新路径。

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