科学家实现稳定一氟化铝分子磁光阱：超冷分子物理学迈入新阶段

弗里茨·哈伯研究所分子物理系的科研团队近期宣布，他们在超冷物理领域取得了里程碑式的突破，成功捕获并冷却了稳定的闭壳层分子——一氟化铝（AlF）。这一成就解决了困扰物理学界近四十年的分子有效捕获难题，为深入探索物质在极端低温下的量子行为开辟了全新研究途径。该项开创性研究成果已获得《物理评论快报》的录用，并已在arXiv预印本服务器上公开发表。

将物质冷却至接近绝对零度的“超冷”境界，能够使量子力学的精微特性清晰展现。历史上，对这种极端状态的探索催生了如汞金属超导性等重大发现，并持续推动着量子力学理论的发展。自激光技术问世以来，物理学家们利用光与物质的相互作用发展出高效冷却循环，使温度能达到比绝对零度高出约$10^{-3}$至$10^{-6}$开尔文的范围。尽管近四十年来超冷中性原子在磁光阱中得到广泛应用，支撑了光原子钟和原型量子计算机等技术，但由于分子固有的复杂能级结构，对其进行有效捕获一直是一项艰巨挑战，此前仅有具有未成对电子的活性分子（自旋双重态物种）能被导入此类陷阱。

FHI团队的独特之处在于，他们首次成功捕获了一种化学性质稳定的自旋单态分子——AlF。AlF分子因其强大的化学键而具有惰性，这使其捕获难度与以往的活性分子截然不同。这一突破的实现，部分得益于研究人员克服了这类分子通常需要极高能量才能解离的技术障碍，这意味着冷却过程必须采用深紫外波段的激光。为实现AlF的冷却，研究人员动用了四个激光系统，工作波长接近227.5纳米，这是迄今为止用于捕获任何原子或分子的最短波长，体现了激光技术和光学领域的新颖创新。

一个关键的科学优势是，AlF分子可以在三个不同的转子量子态中被激光冷却和捕获，团队通过精细调谐激光波长，实现了在这些能级间的灵活切换，这是以往分子激光冷却实验中从未实现的壮举。团队负责人Sid Wright表达了从紧凑、经济的蒸汽源中捕获AlF的愿景，并指出初步实验显示AlF分子与室温真空壁的碰撞具有良好的稳定性，这对于未来可扩展的超冷分子技术至关重要。首席研究生Eduardo Padilla将此成就归功于团队近八年的不懈努力，包括大量光谱学研究和深紫外技术攻关，以及分子物理部门提供的丰富资源。

激光冷却的AlF分子有望为高精度测量和分子的量子控制带来新机遇。此外，AlF分子中存在一个长寿命的亚稳态电子态（自旋三线态），这为实现更低的温度提供了潜在途径。这一进展极大地推动了超冷物理的前沿，为精密光谱学和量子模拟开辟了新的研究路径，科学家们正探索利用该技术来检验基础物理常数，例如电子电偶极矩，而这需要极高精度的分子能级测量。