在超低温度下，多原子分子能表现出一系列奇异的性质，为研究精密测量和量子信息处理等提供新的可能性。然而，科学家通常用来冷却单个原子的技术，如激光冷却和蒸发冷却，对分子的冷却效果并不好。近年来，在双原子分子的冷却领域，科学家已经取得了显著进展。但对于由许多原子组成的大分子来说，达到超冷状态仍然具有挑战性。
在一项新发表于《自然》杂志的研究中，一个国际研究团队成功地创造出了一个包含四个原子的分子，并将其冷却到134纳开尔文的温度。这是迄今为止最冷的多原子分子。大约20年前，美国理论物理学家John Bohn和他的同事预测了极性分子之间的一种新型结合：如果分子有着不对称的电荷分布，或者说是极性的，那么它们就可以在电场中结合，形成弱束缚的“超分子”。这些极性分子的行为可以被视为是坚硬外壳内的罗盘针。
当它们靠在一起时，这些罗盘针会受到比地球磁场更强的吸引力，它们会指向彼此，而不是沿南北方向对齐。那些可以在特定条件下，通过电力形成独特的束缚态的极性分子，也能表现出一种类似的现象。它们的结合就像是一对跳交谊舞的舞者——他们紧密拥抱，同时又保持一定距离。“超分子”的束缚态比典型的化学键弱得多，但更加长程——比普通分子的键长要长数百倍。
由于这种长程性质，“超分子”是异常灵敏的：如果电场的参数只在临界值上发生了一点点改变，分子之间的力也会发生巨大变化——这种现象被称为“场链共振”。这样的特性使得科学家能够利用一个微波场来灵活地改变分子的大小和形状。近年来，新论文的作者取得了一系列开创性的发现。在2021年，他们发明了一种新的利用大功率旋转微波场对极性分子进行冷却的新技术，创造了当时的新低温纪录。
一年后，他们又成功地通过实验，首次创造出了观测这些分子之间的结合特征的必要条件。这为证明早就被理论预测的奇异结构的存在提供了首个间接证据。在新的研究中，研究人员迎来了首个直接证据，表明他们的确能在实验中创造出这样的“超分子”。他们从由一个钠原子（Na）和一个钾原子（K）组成的NaK分子开始，将它们限制在一个没有空气的腔室中。
接下来，为了将这些双原子分子变成四原子分子，他们利用一个微波场将分子“粘合”在了一起，形成了所谓的“场链四原子分子”。最终，他们在134纳开尔文（仅比绝对零度高1.34×10-7）的温度下，创造了约1100个弱束缚的四原子(NaK)分子。这一温度仅为之前创造的四原子分子的温度的1/3000。将分子冷却到超冷温度的驱动因素之一是，在极低温度下，科学家可以对它们有更多的控制。
从这个意义上说，这一成果不仅是分子物理学的一项新成就，也是奇异的超冷物质研究的重要一步，它无疑将会产生直接而深远的影响。此外，这项实验所采用的方法得益于场链共振的普适性，可以应用于广泛的分子种类，因此这种方法可被用于探索更多种类的超冷多原子分子，比如更大的多原子分子。