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热力学第三定律告诉我们，不可能通过有限步骤使物体冷却到绝对零度。然而，科学家们一直在通过各种努力来逼近绝对零度，并探索超冷状态下（通常指温度低于1 μK）基本粒子的量子现象。自从1995 年，第一个气态冷凝物——超冷原子气体中玻色-爱因斯坦凝聚态（Bose-Einstein Condensation，1920年代预测）被观测到 [1,2]，超冷技术引起了物理学、化学、量子信息科学等领域的广泛关注。
铷原子气体的速度分布三视图，证明了玻色-爱因斯坦凝聚态。图片来源：Wikipedia [3]
相比于原子间很弱的相互作用，极性分子间具有更强、长程、各向异性的电偶极作用，可以灵活地被光和其他电磁场操控。这使得超冷极性分子成为探索奇异量子效应、实现量子信息方案、检验基本常数如对称性和宇称的理想体系。要实现其全部潜能，需要将相互作用的分子气体深度冷却到量子简并区。但是，由于分子复杂的转动自由度以及超精细的内部自由度，当分子气体被冷却到极低温度时，其内部自由度的激发能比它的动能要大近10个数量级，这也使得冷却分子的研究非常困难。
分子自由度及其对应的能量尺度。图片来源：Phys. Today [4]
近日，马克斯•普朗克量子光学研究所Xin-Yu Luo研究团队报道了一种新型冷却技术，可以将极性分子气体冷却到21 nK。其中的关键在于在极性分子气体蒸发冷却过程中施加强的旋转微波场，它有助于通过能量屏蔽稳定分子之间的碰撞。通过这种方式，研究者成功地将钠钾分子气体（NaK）冷却到接近绝对零度的超低温，并创造了新的低温记录。论文发表于Nature 杂志，并被选为当期封面。
当期封面。图片来源：Nature
在他们的实验中，钠钾分子气体被激光限制在光阱中。为了冷却气体，该团队使用了一种长期以来被证明对冷却未结合原子有效的方法：蒸发冷却。“这种方法的原理，和一杯热咖啡冷却下来的过程很类似”，Xin-Yu Luo博士说 [5]。在热咖啡中，水分子不断碰撞，从而交换部分动能。如果两个能量较高的水分子发生碰撞，其中一个会获得更高的能量，得以从咖啡逸出，而另一个分子则剩下较少的能量。如此，热咖啡的温度就会慢慢下降。基于同样原理，分子气体也可以降温到极低温度，只不过，“这些分子在非常低的温度下必须要有额外的稳定措施。”原因在于与未结合原子相比，分子的结构要复杂得多，在碰撞过程中控制分子的运动非常困难。极低温下，分子之间在短程内的碰撞不稳定，并非弹性碰撞，“极性分子的行为就像可以吸附在一起的微小磁铁”，本文一作Andreas Schindewolf 博士解释说。[5] 这些困难已被证明是近年来研究的巨大障碍。
