中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉院士團隊在超冷原子雙原子分子混合氣中首次實現(xiàn)三原子分子的相干合成。

中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉、趙博等與中國科學(xué)院化學(xué)所白春禮小組合作，通過實驗，首次在鈉鉀基態(tài)分子和鉀原子的費希巴赫共振(Feshbach resonance)附近，利用射頻場將原子和雙原子分子相干地合成了超冷三原子分子。相關(guān)研究成果于2月10日凌晨發(fā)表在《自然》期刊上。

這一研究在化學(xué)物理領(lǐng)域取得重大突破，向基于超冷原子分子的量子模擬和超冷量子化學(xué)的研究邁出了重要一步，為未來超冷三原子分子的制備和控制開辟出一條道路。

圖片來自《自然》期刊（圖中2月9日為美國當(dāng)?shù)貢r間）

已有的“超冷雙原子分子”

超冷分子在化學(xué)物理、量子信息處理和精密測量等方面具有潛在應(yīng)用，將為實現(xiàn)量子計算打開新的思路，并為量子模擬提供理想平臺。

超冷原子分子量子模擬，是利用高度可控的超冷量子系統(tǒng)，來模擬難以計算的物理系統(tǒng)，實現(xiàn)對復(fù)雜系統(tǒng)進行細(xì)致、全方位的研究。因此，它在化學(xué)反應(yīng)和新型材料設(shè)計中具有廣泛的應(yīng)用前景。

由于分子的散射共振是典型的量子現(xiàn)象，只有在超低溫下才會顯現(xiàn)。但由于分子內(nèi)部的振動轉(zhuǎn)動能級非常復(fù)雜，通過直接冷卻的方法來制備超冷分子非常困難。

超冷原子技術(shù)的發(fā)展為制備超冷分子提供了一條新的途徑。人們可以繞開直接冷卻分子的困難，從超冷原子氣中利用激光、電磁場等來合成分子。

利用光從原子氣中合成分子的研究可以追溯到上世紀(jì)八十年代。激光冷卻原子技術(shù)的出現(xiàn)使得光合成雙原子分子得以快速的發(fā)展，并在高精度光譜測量中取得了廣泛的應(yīng)用。在光合成雙原子分子取得成功之后，人們開始思考能否利用量子調(diào)控技術(shù)從原子和雙原子分子的混合氣中合成三原子分子。

由于光合成的雙原子分子氣存在密度低、溫度高等缺點，一直無法用來研究三原子分子的合成。美國國家標(biāo)準(zhǔn)局的Paul Julienne教授等人曾在2006年回顧了光合成雙原子分子過去二十年的發(fā)展歷史，并指出從原子和雙原子分子的混合氣中，合成三原子分子是未來合成分子領(lǐng)域的一個重要研究方向。

圖片來自中科大

近年來，隨著超冷原子氣中費希巴赫共振技術(shù)的發(fā)展，超冷雙原子分子的制備和研究已取得顯著進展。利用磁場或射頻場合成分子成為制備超冷雙原子分子的主要技術(shù)手段，從超冷原子中制備的雙原子分子具有相空間密度高、溫度低等優(yōu)點，并且可以用激光將其相干地轉(zhuǎn)移到振動轉(zhuǎn)動的基態(tài)。

自2008年，美國科學(xué)院院士黛博拉·金(Deborah Jin)和葉軍的聯(lián)合實驗小組制備了銣鉀超冷分子以來，多種堿金屬原子的雙原子分子先后在其他實驗室中被制備出來，被廣泛地應(yīng)用于超冷化學(xué)和量子模擬的研究中。

而將超冷分子的研究擴展到三原子分子，甚至更復(fù)雜的多原子分子，將開拓出更多物理化學(xué)領(lǐng)域的研究前沿。

攻關(guān)“超冷三原子分子”

2015年，法國國家科學(xué)研究中心Olivier Dulieu教授等在理論上分析了從原子雙原子分子混合氣中合成三原子分子的可行性。 但由于三原子分子的相互作用極其復(fù)雜，無法精確計算，因而理論上無法預(yù)測三原子分子的束縛態(tài)的能量以及散射態(tài)和束縛態(tài)的耦合強度。

中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)的研究小組在2019年首次觀測到超低溫下原子和雙原子分子的費希巴赫共振，相關(guān)成果發(fā)表于《科學(xué)》雜志。在費希巴赫共振附近，三原子分子束縛態(tài)的能量和散射態(tài)的能量趨于一致，同時散射態(tài)和束縛態(tài)之間的耦合被大幅度地共振增強。原子分子費希巴赫共振的成功觀測為合成三原子分子提供了新的機遇。

但由于原子和分子的費希巴赫共振非常復(fù)雜，理論上難以理解，能否和如何利用費希巴赫共振來合成三原子分子依然是實驗上的巨大挑戰(zhàn)。

實現(xiàn)新的制備路線

在此次研究中，中科大團隊和中科院化學(xué)所合作，首次成功實現(xiàn)了利用射頻場相干合成三原子分子。實驗人員從接近絕對零度的超冷原子混合氣出發(fā)，制備了處于單一超精細(xì)態(tài)的鈉鉀基態(tài)分子。在鉀原子和鈉鉀分子的費希巴赫共振附近，通過射頻場將原子分子的散射態(tài)和三原子分子的束縛態(tài)耦合在一起。

從超冷原子和雙原子分子混合氣中利用射頻場合成三原子分子的示意圖，圖片來自中科大

團隊成功地在鈉鉀分子的射頻損失譜上觀測到了射頻合成三原子分子的信號，并測量了費希巴赫共振附近三原子分子的束縛能。這一工作為量子模擬和超冷化學(xué)的研究開辟出一條新的道路。

超冷三原子分子是模擬量子力學(xué)下三體問題的理想研究平臺。三體問題極其復(fù)雜，而在量子力學(xué)的約束下，該問題變得更加難以捉摸。如何理解和描述量子力學(xué)下的三體問題一直都是少體物理中的一個重要難題。此次研究成果將有助于模擬量子力學(xué)下的三體問題并展開研究。

此外，超冷三原子分子可以實現(xiàn)超高精度的光譜測量，這為刻畫復(fù)雜的三體相互作用勢能面提供了重要基準(zhǔn)。計算勢能面需要高精度地求解多電子薛定諤方程，超冷三原子分子的勢能面將為量子化學(xué)中的電子結(jié)構(gòu)問題提供重要信息。