中國科大首次製備高相空間密度的超冷三原子分子系綜

【環球網科技綜合報道】12月6日消息，中國科學技術大學教授潘建偉、趙博等，利用相干合成方法在國際上首次製備了高相空間密度的超冷三原子分子系綜。科研人員在基態雙原子分子和原子Feshbach共振附近利用磁締合技術從簡併的鈉鉀分子-鉀原子混合氣中製備了超冷三原子分子系綜，向基於超冷分子的超冷量子化學和量子模擬研究邁出了重要一步。

12月2日，相關研究成果發表在《科學》（Science）上。

資料顯示，利用高度可控的超冷分子來模擬複雜的難於計算的化學反應過程，可對複雜系統進行精確的全方位的研究，因而在超冷化學和新型材料設計中具廣泛的應用前景。但由於分子內部的振轉能級非常複雜，缺少激光冷卻所需要的循環躍遷，導致通過直接冷卻的方法來製備超冷分子非常困難。隨着冷原子技術的發展，從超冷原子出發相干合成超冷分子為製備超冷分子系綜提供全新途徑。

1998年，麻省理工學院Wolfgang Ketterle研究組觀測到原子中的Feshbach共振（Nature 1998，392, 151）。2003年，科羅拉多大學的Deborah Jin研究組利用原子的Feshbach共振發展了磁締合技術來製備鉀雙原子分子。從超冷原子中製備的雙原子分子具相空間密度高、温度低等優點，且可用激光將該雙原子分子相干地轉移到振轉基態。近年來，多種鹼金屬原子的雙原子分子先後在實驗室中被製備出來，並被廣泛地應用於超冷化學和量子模擬的研究中。

隨着雙原子分子研究的深入，科學家開始研究如何製備超冷三原子分子。但由於三原子分子極為複雜，無法進行理論計算，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開放問題。中國科大研究團隊在2019年觀測到超低温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。在此基礎上，中國科大、中科院化學所聯合研究組在2022年初採用射頻合成技術，在鈉鉀基態分子和鉀原子的Feshbach共振附近，實現超冷三原子分子的射頻合成 。但由於三原子分子壽命短、合成效率低，只能通過雙原子分子或原子的損失來獲得合成三原子分子的間接證據，直接探測三原子分子並製備超冷三原子分子系綜仍是實驗上的巨大挑戰。

科研團隊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，通過緩慢地掃描磁場，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，從而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綜。研究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，獲得三原子分子的解離譜，從而實現了三原子分子的直接探測。

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約10個量級。超冷三原子分子系綜的製備為模擬量子力學下三體問題鋪平道路，所獲得的高相空間密度也使製備三原子分子的玻色–愛因斯坦凝聚成為可能。審稿人一致認為該研究工作是超冷分子研究領域的里程碑，為超冷化學和量子模擬的研究開闢新方向。