美国的物理学家通过在三个维度上直接捕获和冷却超冷多原子分子，创造出了超冷的多原子分子。该团队由哈佛大学的John Doyle领导，通过使用了一种被称为磁光阱(MOT)的标准设备，以及额外的激光冷却技术，他们将氢氧化钙(CaOH)分子样品的温度降低到仅110µK。这表明直接用激光冷却多原子分子是可行的，该结果为基于分子的量子模拟实验和涉及多原子分子的化学反应研究打开了大门。

化学反应是一个复杂的过程。然而，在接近绝对零度(0K)的温度时，它们的复杂性会大大降低，因为反应过程所涉及的原子和分子只能以它们的最低能量量子基态存在。到目前为止，超冷化学的研究主要集中在原子和双原子分子之间或双原子分子对之间的简单相互作用上。将多原子分子引入到这种混合物中，将使研究更复杂的相互作用成为可能，但它也带来了额外的挑战，因为多原子分子不容易冷却。

超冷分子通常是以两种方式之一产生。第一种是将激光脉冲应用于冷原子样本，从而使它们结合成超冷分子。研究人员已经在几种原子上使用了这种激光结合方法，最近的实验表明它也可以用来从双原子分子中产生三原子分子。第二种方法是通过化学方法在一束冷却到低温的缓冲气体中产生分子，然后使用激光进一步冷却分子。

激光冷却已成功应用于三维中的双原子分子和一维中的三原子分子。然而，实现对三原子分子的三维控制要困难得多，因为分子必须吸收和发射大量的激光光子，然后每个光子累积的动量要“踢”得足够慢，好让分子可以被捕获。每个吸收和发射事件还会引起旋转或振动运动，这样会使分子处于不再与冷却激光束共振的新量子态。出于这个原因，必须使用额外的激光频率将分子“重新泵送”回正确的状态，但这一要求会迅速增加实验的复杂性。

然而，一些分子(如SrF和CaOH)具有几乎闭合的电子跃迁，这意味着它们的旋转和振动模式相对很少被激发。因此，这些分子可以通过仅添加数量有限的泵浦激光器以关闭剩余的跃迁来进行激光冷却。

在发表于《Nature》的这篇研究中，Doyle及其同事首先在冷却至约2K的两级缓冲气室中产生CaOH分子。然后，在进入磁光阱之前，他们通过反向激光束将CaOH分子减速到大约10米/秒。在磁光阱时，它们同时被捕获和冷却，并从六束激光中散射出数千个光子，这些光子的共振取决于分子在四极磁场中的位置。最后，研究人员关闭磁场并通过所谓的“光学糖蜜”阶段对分子进行进一步冷却。在这个阶段，冷却的分子会经历能减缓它们在三维空间中运动的力，就像是一个人要穿过一大桶糖蜜或其他粘性液体一样。

Doyle说，从一维激光冷却到三维激光冷却的最大挑战是调整慢光束源，以优化分子的产生及其速度。与之前报道的三原子分子关联实验相比，Doyle团队的CaOH分子样品处于电子基态，因此可以进行单量子态控制(进入任一旋转或振动状态)。他说，另一个优势是可以使用传统的光子循环方法，能在光学上以高保真检测CaOH。在这种方法中，数千个光子从每个分子中散射出来，并能在相机上检测到。

中国科学技术大学物理学家ZhaoBo(他未参与这项研究)表示，这项工作最重要的部分是研究人员将他们的三原子分子限制在一个三维磁光阱中。他说，这是一个里程碑，因为它使研究涉及多原子分子而不仅仅是双原子分子的超冷碰撞和反应成为可能，这极大地丰富了超冷化学领域。这一点很重要，因为即使对于分子束实验来说，研究涉及超冷多原子分子的碰撞和反应也非常困难。

Doyle说，该团队的下一个目标是用CaOH分子加载光镊阵列，并测量它们间的量子门耦合。他表示，三原子分子具有性质不同的特性，即存在带有角动量的振动弯曲模式，这些模式是一个巨大的科学新工具，因为有了它们才能使在量子模拟和量子计算中用多原子分子进行实验成为可能。（编译:Qtech）