在国际上首次制备出高相空间密度的超冷三原子分子系统

明敏 发自 凹非寺

量子位 | 公众号 QbitAI

潘建伟团队新成果来了！

通过利用相干合成方法，中科大潘建伟、赵博等人在国际上首次制备出高相空间密度的超冷三原子分子系统。

该成果已登上最新一期《Science》。

实验结果显示，所获得的三原子分子气的相空间密度比其他方法提高了约10个量级，为模拟量子力学下三体问题铺平了道路。

所获得的的高相空间密度，也使得制备三原子分子的波色-爱因斯坦凝聚成为可能。

这也是今年潘建伟院士团队研究第四次登上NS正刊。

据悉，审稿人一致认为，这一工作是超冷分子研究领域的一个里程碑。

为量子力学三体问题铺路

一直以来，超冷原子、超冷分子都被视为人类窥探量子领域的一个入口。

当温度降低到绝对零度时，所有物质的动能都会为零，所有原子、分子在这一状态下都无法运动。

如果达到十分接近这一温度的状态，让原子分子可以活动但又十分简单、甚至人为可控，就能让人类操作它们的活动，模拟想要观察到的现象，从而探寻其中的运动规律了。

一般来说，逼近绝对零度都是通过激光冷却实现。

让激光在原子运动的相反方向射入，光子和原子动量交换后，原子运动就能减速了。比如原子钟、实现原子玻色-爱因斯坦凝聚，都是利用了这一方法。

但这一方法对分子不太适用。

因为分子能级结构更为复杂，振转能级不能循环跃迁，只有非常少数的分子中存在这种现象。

直接冷却分子也不太能实现。

学界想到的办法是，既然能实现超冷原子，那就让超冷原子合成超冷分子，并进一步提出了Feshbach共振方法。

简单理解，就是通过调节外加磁场来改变原子之间的相互作用，从而实现原子到分子的合成。

此前学界已经利用该方法发展了磁缔合技术，制备钾双原子分子。

此次潘建伟院士团队采用的也是这一方法，但实现的是超冷三原子分子系统。

2019年，潘建伟、赵博研究团队首次观测到了超低温下原子与分子三体系统之间的碰撞共振，意味着利用Feshbach共振实现三原子分子合成是可行的。

今年2月，团队发表在Nature上的论文再次为三原子分子合成提供证据。

由此才有了如今的最新成果：

通过从量子简并的钠钾分子和钾原子混合气出发，在钠钾分子和钾原子的Feshbach共振附近，通过缓慢扫描磁场，将钠钾分子-钾原子散射态绝热地转移到三原子分子束缚态，团队首次利用磁缔合技术相干地制备了高相空间密度的超冷三原子分子系统。

与此同时，团队利用射频解离技术，将三原子分子解离成自由的钠钾分子和原子，获得了三原子分子的解离谱，从而实现了三原子分子的直接探测。

结果显示，所获得的三原子分子气的相空间密度，比其他方法提高了约10个量级。

这也为模拟量子力学下三体问题铺平了道路。

要知道，三体问题被放到量子力学中，意味着要求解描述三个相互作用粒子薛定谔方程，复杂程度直接飙升不知多少个量级。

同时，研究所获得的高相空间密度，也使得制备三原子分子的玻色-爱因斯坦凝聚（Bose–Einstein condensate，BEC）成为可能。

作为一种物质的状态，玻色-爱因斯坦凝聚下，玻色子原子的稀释气体被冷却到接近绝对零度，大多数的玻色子都为基态。

它能在宏观层面上显示量子效应，自转的玻色-爱因斯坦凝聚可以作为黑洞的模型，入射的光不会逃离。凝聚也可以用来“冻结”光，这样被“冻结”的光在凝聚分解时又会被释放出来。

由此，该成果也被审稿人一致认为是超冷分子领域的一项里程碑式研究。

它也为未来模拟复杂、难以计算的化学反应过程，提供了新帮助。

论文地址：
https://www.science.org/doi/10.1126/science.ade6307

参考链接：
[1]https://mp.weixin.qq.com/s/eg5eUwCeMHT0GPIwZvNrFw
[2]https://mp.weixin.qq.com/s/ssu8zk0arAIDFehQBJbs_A