潘建偉團隊新成果登Science，被稱“超冷分子領域裡程碑”

明敏 發自 凹非寺

量子位 | 公眾號 QbitAI

潘建偉團隊新成果來了！

透過利用相干合成方法，中科大潘建偉、趙博等人

在國際上首次

製備出高相空間密度的超冷三原子分子系統。

該成果已登上最新一期《Science》。

實驗結果顯示，所獲得的三原子分子氣的相空間密度比其他方法提高了約

10個量級

，為

模擬量子力學下三體問題

鋪平了道路。

所獲得的的高相空間密度，也使得製備三原子分子的波色-愛因斯坦凝聚成為可能。

這也是今年潘建偉院士團隊研究第四次登上NS正刊。

據悉，審稿人一致認為，這一工作是超冷分子研究領域的一個

里程碑

。

為量子力學三體問題鋪路

一直以來，超冷原子、超冷分子都被視為人類窺探量子領域的一個入口。

當溫度降低到絕對零度時，所有物質的動能都會為零，所有原子、分子在這一狀態下都無法運動。

如果達到十分接近這一溫度的狀態，讓原子分子可以活動但又十分簡單、甚至人為可控，就能讓人類操作它們的活動，模擬想要觀察到的現象，從而探尋其中的運動規律了。

一般來說，逼近絕對零度都是透過

鐳射冷卻

實現。

讓鐳射在原子運動的相反方向射入，光子和原子動量交換後，原子運動就能減速了。比如原子鐘、實現原子玻色-愛因斯坦凝聚，都是利用了這一方法。

但這一方法對分子不太適用。

因為分子能級結構更為複雜，振轉能級不能迴圈躍遷，只有非常少數的分子中存在這種現象。

直接冷卻分子也不太能實現。

學界想到的辦法是，既然能實現超冷原子，那就讓超冷原子合成超冷分子，並進一步提出了

Feshbach共振

方法。

簡單理解，就是透過調節外加磁場來改變原子之間的相互作用，從而實現原子到分子的合成。

此前學界已經利用該方法發展了磁締合技術，製備鉀雙原子分子。

此次潘建偉院士團隊採用的也是這一方法，但實現的是超冷三原子分子系統。

2019年，潘建偉、趙博研究團隊首次觀測到了超低溫下原子與分子三體系統之間的碰撞共振，意味著利用Feshbach共振實現三原子分子合成是可行的。

今年2月，團隊發表在Nature上的論文再次為三原子分子合成提供證據。

由此才有瞭如今的最新成果：

透過從量子簡併的

鈉鉀分子

和

鉀原子混合氣

出發，在鈉鉀分子和鉀原子的Feshbach共振附近，透過緩慢掃描磁場，將鈉鉀分子-鉀原子散射態絕熱地轉移到三原子分子束縛態，團隊首次利用磁締合技術相干地製備了高相空間密度的超冷三原子分子系統。

與此同時，團隊利用射頻解離技術，將三原子分子解離成自由的鈉鉀分子和原子，獲得了三原子分子的解離譜，從而實現了三原子分子的直接探測。

結果顯示，所獲得的三原子分子氣的相空間密度，比其他方法提高了約

10個量級

。

這也為模擬量子力學下三體問題鋪平了道路。

要知道，三體問題被放到量子力學中，意味著要求解描述三個相互作用粒子薛定諤方程，複雜程度直接飆升不知多少個量級。

同時，研究所獲得的高相空間密度，也使得製備三原子分子的玻色-愛因斯坦凝聚（Bose–Einstein condensate，BEC）成為可能。

作為一種物質的狀態，玻色-愛因斯坦凝聚下，玻色子原子的稀釋氣體被冷卻到接近絕對零度，大多數的玻色子都為基態。

它能在宏觀層面上顯示量子效應，自轉的玻色-愛因斯坦凝聚可以作為黑洞的模型，入射的光不會逃離。凝聚也可以用來“凍結”光，這樣被“凍結”的光在凝聚分解時又會被釋放出來。

由此，該成果也被審稿人一致認為是超冷分子領域的一項里程碑式研究。

它也為未來模擬複雜、難以計算的化學反應過程，提供了新幫助。

論文地址：

https：//www。science。org/doi/10。1126/science。ade6307

參考連結：

［1］https：//mp。weixin。qq。com/s/eg5eUwCeMHT0GPIwZvNrFw

［2］https：//mp。weixin。qq。com/s/ssu8zk0arAIDFehQBJbs_A