美国学者在超冷偶极分子中观测到自束缚液滴态

在超冷量子气体研究中，液滴（droplet）是一种由系统内部相互作用形成的高密度、自束缚的多体量子态。即使脱离外部约束势场，它也能维持自身的聚集形态。过去，这种奇特的液滴相主要在强磁性偶极原子气体中被观测到。相比于原子，极性分子能够提供更强的电偶极相互作用与更高度可调的内部能级结构，是探索更广泛参数空间强关联物理的理想平台。

近日，哥伦比亚大学 Sebastian Will 团队以超冷强偶极钠铯分子的玻色爱因斯坦凝聚体为起点，利用微波场精准诱导并调控分子间的长程电偶极相互作用。他们首次在该分子系统中观测到了自束缚的单液滴及液滴阵列，并通过改变相互作用的建立速率，揭示了系统从一维稳定阵列向二维涨落结构的动力学演化过程。测量结果显示，液滴内部的局部密度比初始凝聚体高出百倍，标志着该超冷分子系统成功进入强相互作用区间，为未来探索新型偶极量子物态提供了全新的实验平台。相关成果于3月18日发表于国际权威学术期刊《自然》 [Nature 651, 601 (2026)]。

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在超冷量子气体研究中，液滴是一种依靠系统内部吸引力与排斥力相互平衡，从而在不依赖外部约束势场的情况下依然能维持自身聚集状态的致密物质形态。相比于传统的冷原子系统，具有永久电偶极矩的极性分子能够提供更强的长程相互作用以及更高度可调的内部能级结构，是探索此类新型自束缚量子态的理想平台。本研究在超冷极性钠铯分子气体中，成功制备并观测到了这种自束缚的液滴及液滴阵列。实验以弱相互作用的分子玻色爱因斯坦凝聚体为起点，通过施加特定配置的外部微波场，精准诱导并调控了分子间的长程电偶极相互作用，从而直接驱动了分子气体从常规凝聚体向高密度液滴态的物理相变。

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制备超冷环境下的极性分子气体并维持其高密度状态面临着固有的挑战。在极低温条件下，当异核极性分子发生碰撞时，通常会伴随强烈的非弹性碰撞损失。这种损失会迅速消耗原子数，导致系统无法达到形成量子简并态所需的高密度和低温度。为了克服这一技术障碍，研究团队引入了微波碰撞屏蔽技术。通过施加特定频率的微波场，分子被制备成一种处于微波场作用下的修饰态。在这种物理机制下，微波场改变了分子间的短程势能面，在分子相互靠近时产生了一个强烈的范德华排斥势垒。这个排斥势垒有效阻止了分子在极短距离内的非弹性碰撞，将原本存在高损耗风险的分子转化为稳定的双体系统。

在确保分子气体具有足够数量后，研究团队对钠铯分子气体实施了强制蒸发冷却。实验将分子束缚在由激光构建的交叉光学偶极阱中，通过连续降低光阱的势垒深度，持续移除系统中动能较高的分子，剩余的分子在势阱中重新热化，使得分子气体的整体平均动能显著下降。经过蒸发冷却，大约1500个钠铯分子的温度被成功降低至十纳开尔文以下。在这个温度区间，分子气体形成了弱相互作用的分子玻色爱因斯坦凝聚体。之后，研究人员进一步利用微波场对系统内部的相互作用进行精确调控。他们在维持原有碰撞屏蔽排斥势的同时，通过引入另一个偏振的微波场，在分子间诱导出了电偶极相互作用。通过改变分子感受到的微波场椭圆率，研究人员不仅能够连续调节偶极相互作用的强度，还能够控制相互作用的空间各向异性，从而在凝聚体内部建立起通过微波参数实时可调的长程相互作用体系。

随着微波诱导的偶极相互作用不断增强，分子气体的宏观形态在飞行时间膨胀观测中展现出了显著的变化。普通的玻色爱因斯坦凝聚体在释放外部光阱后，会在空间中自由膨胀。然而，当微波椭圆率达到一定阈值后，分子气体在释放后不再膨胀，而是表现出自束缚特性，形成了液滴相。实验观测的一个核心环节是研究相互作用建立的速率对最终多体状态的动力学影响。研究人员通过改变微波场椭圆率的斜率，精确控制了偶极相互作用的开启时间。这个建立速率的调控覆盖了四个数量级的动态范围，直接决定了系统状态演化的路径。

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当相互作用的建立速率缓慢时，系统具备充分的时间弛豫，演化过程处于近绝热状态。在这种状态下，分子气体通过空间密度的有序重分布，形成了稳定的一维液滴阵列。实验结果表明，这种一维阵列中的液滴数量和液滴间距在多次重复实验中保持高度一致，证实了系统此时处于多体稳态。在飞行时间观测期间，阵列中的单个液滴维持自身体积不变，但由于相邻液滴之间存在相互排斥的偶极力，它们在空间上会随时间推移逐渐分离。相反，当相互作用的建立速率较快时，系统演化偏离了绝热条件，外部微波电场参数的快速变化使得系统无法在短时间内达到新的能量稳定点。这种包含激发的非平衡态制备过程导致系统内部产生了强烈的空间和密度涨落，在宏观上表现为液滴数量和空间位置存在显著随机性的二维液滴阵列。

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在确认了不同的液滴形态后，研究团队面临的另一个技术难题是定量测量液滴内部的分子密度。由于液滴经历了深度的体积收缩，其物理尺寸已经低于光学成像的几何分辨率，因此无法通过常规的原位吸收成像手段直接测量其局部密度。为了解决这一问题，研究人员采用了一种基于两体非弹性碰撞损失率的理论反推方法。实验中，他们在一个极短的时间内迅速关闭起碰撞屏蔽作用的微波场，使得分子失去排斥势垒的保护，重新暴露在非弹性碰撞中。处于无屏蔽状态下的分子，其密度越高，发生两体碰撞并导致数量衰减的速率就越快。

由于直接对致密的分子云进行准确的光学计数在技术上存在限制，研究人员利用了受激拉曼绝热通道技术，将剩余的钠铯分子重新解离为独立的钠原子和铯原子。随后，通过对铯原子进行标准的光泵浦和共振吸收成像，系统获得了铯原子的数量信息。由于一个分子对应解离出一个铯原子，结合实验标定的分子解离转化效率，研究人员精确反推出了在不同屏蔽关闭时间下剩余的钠铯分子总数。通过这种方法，研究人员获得了分子数量随时间衰减的曲线。将这些实验测量的衰减数据代入基于局部密度近似的双体损失模型中进行数值拟合，最终定量提取出了玻色爱因斯坦凝聚体以及液滴内部的初始平均分子密度。

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密度的测量结果显示，在形成的单液滴态中，分子气体的平均密度发生了急剧的增加。相比于初始的微波屏蔽玻色爱因斯坦凝聚体，液滴态的密度提高了两个数量级，达到了约10¹⁴cm⁻³ 的水平。在如此致密的状态下，偶极相互作用的特征长度已经达到甚至超过了粒子间的平均几何间距，这表明该分子气体系统已经进入了强相互作用区间。同时，即使在最高密度的液滴态下，分子气体的寿命依然远长于偶极相互作用的特征时间尺度。

本项研究在超冷极性分子气体中实现了自束缚液滴及液滴阵列的制备与观测。通过施加并调节微波场，不仅能够有效抑制非弹性碰撞以维持分子气体的长寿命，还可以精确控制分子间的长程偶极相互作用。这种技术手段促使系统进入了强相互作用区间，形成了密度显著高于普通凝聚体的多体聚集态。该工作将超冷偶极分子确立为研究强相互作用量子物质的有效物理平台，为后续开展量子模拟、探究量子体系的自组织过程，以及进一步验证极性分子阵列中是否存在超固相等物理现象提供了实验基础。

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41586-026-10245-9

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