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科技日?qǐng)?bào)記者 吳長(zhǎng)鋒

記者從中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)了解到，該校潘建偉、趙博等研究人員，利用相干合成方法在國(guó)際上首次制備了高相空間密度的超冷三原子分子系綜。他們?cè)诨鶓B(tài)雙原子分子和原子Feshbach共振附近利用磁締合技術(shù)從簡(jiǎn)并的鈉鉀分子-鉀原子混合氣中制備了超冷三原子分子系綜，向基于超冷分子的超冷量子化學(xué)和量子模擬研究邁出了重要一步。12月2日，這一研究成果發(fā)表于國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》。

審稿人認(rèn)為，這一工作是超冷分子研究領(lǐng)域的一個(gè)里程碑，為超冷化學(xué)和量子模擬的研究開(kāi)辟了新的方向。

磁締合制備超冷三原子分子系綜的示意圖 中國(guó)科大供圖

利用高度可控的超冷分子來(lái)模擬復(fù)雜的、難于計(jì)算的化學(xué)反應(yīng)過(guò)程，可以對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)進(jìn)行精確的全方位研究，因而在超冷化學(xué)和新型材料設(shè)計(jì)中具有廣泛的應(yīng)用前景。但由于分子內(nèi)部的振轉(zhuǎn)能級(jí)非常復(fù)雜，缺少激光冷卻所需要的循環(huán)躍遷，導(dǎo)致通過(guò)直接冷卻的方法來(lái)制備超冷分子非常困難。隨著冷原子技術(shù)的發(fā)展，從超冷原子出發(fā)相干合成超冷分子為制備超冷分子系綜提供了一條全新的途徑。

1998年，麻省理工學(xué)院Wolfgang Ketterle研究組觀測(cè)到原子中的Feshbach共振。2003年，科羅拉多大學(xué)的Deborah Jin研究組利用原子的Feshbach共振發(fā)展了磁締合技術(shù)來(lái)制備鉀雙原子分子。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(diǎn)，并且可以用激光將其相干地轉(zhuǎn)移到振轉(zhuǎn)基態(tài)。近年來(lái)多種堿金屬原子的雙原子分子先后在其他實(shí)驗(yàn)室中被制備出來(lái)，并被廣泛地應(yīng)用于超冷化學(xué)和量子模擬的研究中。

隨著雙原子分子研究取得巨大成功，人們開(kāi)始研究如何制備超冷三原子分子。但由于三原子分子極為復(fù)雜，無(wú)法進(jìn)行理論計(jì)算，是否能夠利用相干合成的方法制備三原子分子系綜一直是一個(gè)開(kāi)放問(wèn)題。中國(guó)科大研究團(tuán)隊(duì)在2019年觀測(cè)到超低溫下鈉鉀分子和鉀原子間的Feshbach共振，為合成三原子分子奠定了基礎(chǔ)。在此基礎(chǔ)上，中國(guó)科大、中科院化學(xué)所聯(lián)合研究組在2022年初采用射頻合成技術(shù)，在鈉鉀基態(tài)分子和鉀原子的Feshbach共振附近，實(shí)現(xiàn)了超冷三原子分子的射頻合成。但由于三原子分子壽命短、合成效率低，只能通過(guò)雙原子分子或原子的損失來(lái)獲得合成三原子分子的間接證據(jù)，直接探測(cè)三原子分子并制備超冷三原子分子系綜仍然是一個(gè)實(shí)驗(yàn)上的巨大挑戰(zhàn)。

在該項(xiàng)研究中，團(tuán)隊(duì)從量子簡(jiǎn)并的鈉鉀分子和鉀原子混合氣出發(fā)，在鈉鉀分子和鉀原子的Feshbach共振附近，通過(guò)緩慢地掃描磁場(chǎng)，將鈉鉀分子—鉀原子散射態(tài)絕熱地轉(zhuǎn)移到三原子分子束縛態(tài)，從而首次成功利用磁締合技術(shù)相干地制備了高相空間密度的超冷三原子分子系綜。研究團(tuán)隊(duì)利用射頻解離技術(shù)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(shí)現(xiàn)了三原子分子的直接探測(cè)。

實(shí)驗(yàn)結(jié)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(gè)量級(jí)。超冷三原子分子系綜的制備為模擬量子力學(xué)下三體問(wèn)題鋪平了道路，所獲得的高相空間密度也使得制備三原子分子的玻色–愛(ài)因斯坦凝聚成為可能。

關(guān)鍵詞： 三原子分子 空間密度