化学物理重大突破！中国首次在超冷原子分子混合气中实现三原子分子的量子相干合成

中国科学技术大学潘建伟院士团队在超冷原子双原子分子混合气中首次实现三原子分子的相干合成。

中国科学技术大学潘建伟、赵博等与中国科学院化学所白春礼小组合作，通过实验，首次在钠钾基态分子和钾原子的费希巴赫共振(Feshbach resonance)附近，利用射频场将原子和双原子分子相干地合成了超冷三原子分子。相关研究成果于2月10日凌晨发表在《自然》期刊上。

这一研究在化学物理领域取得重大突破，向基于超冷原子分子的量子模拟和超冷量子化学的研究迈出了重要一步，为未来超冷三原子分子的制备和控制开辟出一条道路。

图片来自《自然》期刊（图中2月9日为美国当地时间）

已有的“超冷双原子分子”

超冷分子在化学物理、量子信息处理和精密测量等方面具有潜在应用，将为实现量子计算打开新的思路，并为量子模拟提供理想平台。

超冷原子分子量子模拟，是利用高度可控的超冷量子系统，来模拟难以计算的物理系统，实现对复杂系统进行细致、全方位的研究。因此，它在化学反应和新型材料设计中具有广泛的应用前景。

由于分子的散射共振是典型的量子现象，只有在超低温下才会显现。但由于分子内部的振动转动能级非常复杂，通过直接冷却的方法来制备超冷分子非常困难。

超冷原子技术的发展为制备超冷分子提供了一条新的途径。人们可以绕开直接冷却分子的困难，从超冷原子气中利用激光、电磁场等来合成分子。

利用光从原子气中合成分子的研究可以追溯到上世纪八十年代。激光冷却原子技术的出现使得光合成双原子分子得以快速的发展，并在高精度光谱测量中取得了广泛的应用。在光合成双原子分子取得成功之后，人们开始思考能否利用量子调控技术从原子和双原子分子的混合气中合成三原子分子。

由于光合成的双原子分子气存在密度低、温度高等缺点，一直无法用来研究三原子分子的合成。美国国家标准局的Paul Julienne教授等人曾在2006年回顾了光合成双原子分子过去二十年的发展历史，并指出从原子和双原子分子的混合气中，合成三原子分子是未来合成分子领域的一个重要研究方向。

图片来自中科大

近年来，随着超冷原子气中费希巴赫共振技术的发展，超冷双原子分子的制备和研究已取得显著进展。利用磁场或射频场合成分子成为制备超冷双原子分子的主要技术手段，从超冷原子中制备的双原子分子具有相空间密度高、温度低等优点，并且可以用激光将其相干地转移到振动转动的基态。

自2008年，美国科学院院士黛博拉·金(Deborah Jin)和叶军的联合实验小组制备了铷钾超冷分子以来，多种碱金属原子的双原子分子先后在其他实验室中被制备出来，被广泛地应用于超冷化学和量子模拟的研究中。

而将超冷分子的研究扩展到三原子分子，甚至更复杂的多原子分子，将开拓出更多物理化学领域的研究前沿。

攻关“超冷三原子分子”

2015年，法国国家科学研究中心Olivier Dulieu教授等在理论上分析了从原子双原子分子混合气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极其复杂，无法精确计算，因而理论上无法预测三原子分子的束缚态的能量以及散射态和束缚态的耦合强度。

中国科学技术大学的研究小组在2019年首次观测到超低温下原子和双原子分子的费希巴赫共振，相关成果发表于《科学》杂志。在费希巴赫共振附近，三原子分子束缚态的能量和散射态的能量趋于一致，同时散射态和束缚态之间的耦合被大幅度地共振增强。原子分子费希巴赫共振的成功观测为合成三原子分子提供了新的机遇。

但由于原子和分子的费希巴赫共振非常复杂，理论上难以理解，能否和如何利用费希巴赫共振来合成三原子分子依然是实验上的巨大挑战。

实现新的制备路线

在此次研究中，中科大团队和中科院化学所合作，首次成功实现了利用射频场相干合成三原子分子。实验人员从接近绝对零度的超冷原子混合气出发，制备了处于单一超精细态的钠钾基态分子。在钾原子和钠钾分子的费希巴赫共振附近，通过射频场将原子分子的散射态和三原子分子的束缚态耦合在一起。

从超冷原子和双原子分子混合气中利用射频场合成三原子分子的示意图，图片来自中科大

团队成功地在钠钾分子的射频损失谱上观测到了射频合成三原子分子的信号，并测量了费希巴赫共振附近三原子分子的束缚能。这一工作为量子模拟和超冷化学的研究开辟出一条新的道路。

超冷三原子分子是模拟量子力学下三体问题的理想研究平台。三体问题极其复杂，而在量子力学的约束下，该问题变得更加难以捉摸。如何理解和描述量子力学下的三体问题一直都是少体物理中的一个重要难题。此次研究成果将有助于模拟量子力学下的三体问题并展开研究。

此外，超冷三原子分子可以实现超高精度的光谱测量，这为刻画复杂的三体相互作用势能面提供了重要基准。计算势能面需要高精度地求解多电子薛定谔方程，超冷三原子分子的势能面将为量子化学中的电子结构问题提供重要信息。