利用对称顶分子模拟量子磁体

我们建立了多原子对称顶分子在总角动量沿分子对称轴投影非零的状态下的电偶极矩阵元，与与基本自旋 $F$ 相关的磁偶极子的磁偶极矩阵元之间的对应关系。研究表明，这种对应关系使得利用受静态外电场 $\bf{E}_{\mathrm{DC}}$ 作用的对称顶分子，在静态外磁场 $\bf{B}$ 中模拟磁偶极子的单粒子谱和偶极 - 偶极相互作用成为可能。我们进一步表明，对于静态场中的 $^1\Sigma$ 分子（如碱金属二聚体），不存在此类对应关系。模拟磁偶极子的有效自旋角动量对应于对称顶分子的转动角动量，因此可以实现任意大整数自旋的量子模拟。此外，以 CH$_3$F 分子为例，我们展示了模拟磁偶极子的特征偶极 - 偶极相互作用能分别比高磁性原子铬、铒和镝的大 620、600 和 310 倍。我们提出了该对应关系在多体物理中的若干应用，包括利用光晶格中的对称顶分子构建具有任意整数自旋 $S$ 的长程各向异性自旋模型、分子磁体的量子模拟，以及由于偶极 - 偶极相互作用导致的玻色 - 爱因斯坦凝聚体的自发退磁。随着冷对称顶分子通过斯塔克减速和光电冷却达到量子简并，预计我们的结果将具有相关意义。