科學家首次在超冷原子分子混合氣中實現三原子分子的量子相干合成

中國科學技術大學潘建偉、

趙博

等與中國科學院化學研究所白春禮小組合作，在超冷原子雙原子分子混合氣中首次實現三原子分子的相干合成。該研究中，

科研人員

在鉀原子和鈉鉀基態分子的Feshbach共振附近利用射頻場將原子和雙原子分子相干地合成了

超

冷三原子分子

，向

基於

超冷

原子

分子的

量子模擬和

超冷量子化學

的

研究邁

出

了重要一步。2月9日，

相關研究成果發表在《

自然

》（ Nature ）

上。

量子計算和量子模擬具有強大的平行計算和模擬能力，不僅能夠解決經典計算機無法處理的計算難題，還能有效揭示覆雜物理系統的規律，從而為新能源開發、新材料設計等提供指導。量子計算研究的終極目標是構建通用型量子計算機，但實現該目標需要製備大規模的量子糾纏並進行容錯計算。當前量子計算的短期目標是發展專用型量子計算機，即專用量子模擬機，其能夠某些特定問題上解決現有經典計算機無法解決的問題。例如，超冷原子分子量子模擬，利用高度可控的超冷量子氣體來模擬複雜的難於計算的物理系統，可以對複雜系統進行精確的全方位的研究，因而在化學反應和新型材料設計中具有廣泛應用前景。

超冷分子將為實現量子計算打開了新思路，併為量子模擬提供理想平臺。但由於分子內部的振動轉動能級複雜，透過直接冷卻的方法來製備超冷分子十分困難。超冷原子技術的發展為製備超冷分子提供了新途徑，可繞開直接冷卻分子的困難，從超冷原子氣中利用鐳射、電磁場等來合成分子。利用光從原子氣中合成分子的研究可以追溯到20世紀80年代。鐳射冷卻原子技術的出現使得光合成雙原子分子得以快速發展，並在高精度光譜測量中取得了廣泛應用。在光合成雙原子分子成功後，科研人員開始思考能否利用量子調控技術從原子和雙原子分子的混合氣中合成三原子分子。在2

006

年發表的綜述文章［ Rev

。 Mod。 Phys。 78

，4

83， （

2

006）］

中，美國國家標準局教授P

aul

Julienne等人回顧了光合成雙原子分子過去二十年的發展歷史，並指出從原子和雙原子分子的混合氣中合成三原子分子是未來合成分子領域的重要研究方向。由於光合成的雙原子分子氣存在密度低、溫度高等缺點，無法用來研究三原子分子的合成。隨著超冷原子氣中Feshbach共振技術的發展，利用磁場或射頻場合成分子成為製備超冷雙原子分子的主要技術手段。從超冷原子中製備的雙原子分子具有相空間密度高、溫度低等優點，並且可以用鐳射將其相干地轉移到振動轉動的基態。自2008年

美國科學院院士De

borah

Jin和葉軍的

聯合

實驗小組

製備了

銣鉀

超冷基態

分子

以來，多種鹼金屬原子的雙原子分子先後在其他實驗室中被製備出來，並被廣泛應用於超冷化學和量子模擬研究中。

2

015

年，法國國家科學研究中心

教授

Olivier Dulieu

等在理論上分析了從原子雙原子分子混合氣中合成三原子分子的可行性 ［

Phys。 Rev。 Lett。 115， 073201 （2015）］

。 但由於三原子分子的相互作用複雜，無法精確計算，因而理論上無法預測三原子分子的束縛態的能量以及散射態和束縛態的耦合強度。中國科學技術大學研究小組在2

019

年首次觀測到超低溫下原子和雙原子分子的Feshbach共振［ Science

363， 261 （2019）］

。在Feshbach共振附近，三原子分子束縛態的能量和散射態的能量趨於一致，同時散射態和束縛態之間的耦合被大幅度地共振增強。原子分子Feshbach共振的觀測為合成三原子分子提供了新機遇。但由於原子和分子的Feshbach共振十分複雜，理論上難以理解，能否和如何利用Feshbach共振來合成三原子分子成為具有挑戰性的問題。

該研究中，合作研究小組

首次

實現了利用射頻場相干合成三原子分子

。

在實驗中，科研人員從接近絕對零度的超冷原子混合氣出發，製備了處於單一超精細態的鈉鉀基態分子。在鉀原子和鈉鉀分子的Feshbach共振附近，透過射頻場將原子分子的散射態和三原子分子的束縛態耦合在一起。在鈉鉀分子的射頻損失譜上

觀測到

射頻合成三原子分子的訊號，並測量了F

eshbach

共振附近三原子分子的束縛能。該工作為量子模擬和超冷化學的研究開闢了新道路。超冷三原子分子是模擬量子力學下三體問題的理想研究平臺。三體問題十分複雜，即使經典的三體問題由於存在混沌效應也無法精確求解。在量子力學的約束下，三體問題變得更加難以捉摸。如何理解和描述量子力學下的三體問題是少體物理中的重要難題。此外，超冷三原子分子可以用來實現超高精度的光譜測量，為刻畫複雜的三體相互作用勢能面提供了重要基準。由於計算勢能面需要高精度地求解多電子薛定諤方程，超冷三原子分子的勢能面也為量子化學中的電子結構問題提供了重要資訊。

研究工作得到科技部

、國家

自然科學基金委、中科院

、安徽省、上海市

等的支援。

論文連結

從超冷原子和雙原子分子混合氣中利用射頻場合成三原子分子的示意圖

【來源：中國科學技術大學】

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