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明敏 發(fā)自 凹非寺
量子位 | 公眾號(hào) QbitAI

潘建偉團(tuán)隊(duì)新成果來了！

通過利用相干合成方法，中科大潘建偉、趙博等人在國際上首次制備出高相空間密度的超冷三原子分子系統(tǒng)。

該成果已登上最新一期《Science》。

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)，為模擬量子力學(xué)下三體問題鋪平了道路。

所獲得的的高相空間密度，也使得制備三原子分子的波色-愛因斯坦凝聚成為可能。

這也是今年潘建偉院士團(tuán)隊(duì)研究第四次登上NS正刊。

據(jù)悉，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。

為量子力學(xué)三體問題鋪路

一直以來，超冷原子、超冷分子都被視為人類窺探量子領(lǐng)域的一個(gè)入口。

當(dāng)溫度降低到絕對(duì)零度時(shí)，所有物質(zhì)的動(dòng)能都會(huì)為零，所有原子、分子在這一狀態(tài)下都無法運(yùn)動(dòng)。

如果達(dá)到十分接近這一溫度的狀態(tài)，讓原子分子可以活動(dòng)但又十分簡(jiǎn)單、甚至人為可控，就能讓人類操作它們的活動(dòng)，模擬想要觀察到的現(xiàn)象，從而探尋其中的運(yùn)動(dòng)規(guī)律了。

一般來說，逼近絕對(duì)零度都是通過激光冷卻實(shí)現(xiàn)。

讓激光在原子運(yùn)動(dòng)的相反方向射入，光子和原子動(dòng)量交換后，原子運(yùn)動(dòng)就能減速了。比如原子鐘、實(shí)現(xiàn)原子玻色-愛因斯坦凝聚，都是利用了這一方法。

但這一方法對(duì)分子不太適用。

因?yàn)榉肿幽芗?jí)結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜，振轉(zhuǎn)能級(jí)不能循環(huán)躍遷，只有非常少數(shù)的分子中存在這種現(xiàn)象。

直接冷卻分子也不太能實(shí)現(xiàn)。

學(xué)界想到的辦法是，既然能實(shí)現(xiàn)超冷原子，那就讓超冷原子合成超冷分子，并進(jìn)一步提出了Feshbach共振方法。

簡(jiǎn)單理解，就是通過調(diào)節(jié)外加磁場(chǎng)來改變?cè)又g的相互作用，從而實(shí)現(xiàn)原子到分子的合成。

此前學(xué)界已經(jīng)利用該方法發(fā)展了磁締合技術(shù)，制備鉀雙原子分子。

此次潘建偉院士團(tuán)隊(duì)采用的也是這一方法，但實(shí)現(xiàn)的是超冷三原子分子系統(tǒng)。

2019年，潘建偉、趙博研究團(tuán)隊(duì)首次觀測(cè)到了超低溫下原子與分子三體系統(tǒng)之間的碰撞共振，意味著利用Feshbach共振實(shí)現(xiàn)三原子分子合成是可行的。

今年2月，團(tuán)隊(duì)發(fā)表在Nature上的論文再次為三原子分子合成提供證據(jù)。

由此才有了如今的最新成果：

通過從量子簡(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)，團(tuán)隊(duì)首次利用磁締合技術(shù)相干地制備了高相空間密度的超冷三原子分子系統(tǒng)。

與此同時(shí)，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)。

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)。

這也為模擬量子力學(xué)下三體問題鋪平了道路。

要知道，三體問題被放到量子力學(xué)中，意味著要求解描述三個(gè)相互作用粒子薛定諤方程，復(fù)雜程度直接飆升不知多少個(gè)量級(jí)。

同時(shí)，研究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（Bose–Einstein condensate，BEC）成為可能。

作為一種物質(zhì)的狀態(tài)，玻色-愛因斯坦凝聚下，玻色子原子的稀釋氣體被冷卻到接近絕對(duì)零度，大多數(shù)的玻色子都為基態(tài)。

它能在宏觀層面上顯示量子效應(yīng)，自轉(zhuǎn)的玻色-愛因斯坦凝聚可以作為黑洞的模型，入射的光不會(huì)逃離。凝聚也可以用來“凍結(jié)”光，這樣被“凍結(jié)”的光在凝聚分解時(shí)又會(huì)被釋放出來。

由此，該成果也被審稿人一致認(rèn)為是超冷分子領(lǐng)域的一項(xiàng)里程碑式研究。

它也為未來模擬復(fù)雜、難以計(jì)算的化學(xué)反應(yīng)過程，提供了新幫助。

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

參考鏈接：
[1]https://mp.weixin.qq.com/s/eg5eUwCeMHT0GPIwZvNrFw
[2]https://mp.weixin.qq.com/s/ssu8zk0arAIDFehQBJbs_A