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中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉、趙博等，利用相干合成方法在國際上首次制備了高相空間密度的超冷三原子分子系綜。在該研究中，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。北京時(shí)間12月2日，這一研究成果發(fā)表在國際權(quán)威學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》雜志上。

利用高度可控的超冷分子來模擬復(fù)雜的難于計(jì)算的化學(xué)反應(yīng)過程，可以對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)進(jìn)行精確的全方位的研究，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)致通過直接冷卻的方法來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[Nature 392, 151 (1998)]。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)來制備鉀雙原子分子[Nature 424, 47 (2003)]。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，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的巨大成功，人們開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)開放問題。中國科大研究團(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 [Science 363, 261 (2019)]，為合成三原子分子奠定了基礎(chǔ)。在此基礎(chǔ)上，中國科大、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 [Nature 602, 229 (2022)]。但由于三原子分子壽命短、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(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–愛因斯坦凝聚成為可能。審稿人一致認(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辟了新的方向。

該研究工作得到了科技部、自然科學(xué)基金委、中科院、安徽省、上海市等的資助和支持。

磁締合制備超冷三原子分子系綜的示意圖

論文鏈接： www.science.org/doi/10.1126/science.ade6307