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科技日報記者 吳長鋒
記者從中國科學技術大學了解到，該校潘建偉、趙博等研究人員，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。他們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和量子模擬研究邁出了重要一步。12月2日，這一研究成果發表于國際學術期刊《科學》。
審稿人認為，這一工作是超冷分子研究領域的一個里程碑，為超冷化學和量子模擬的研究開辟了新的方向。
磁締合制備超冷三原子分子系綜的示意圖 中國科大供圖
利用高度可控的超冷分子來模擬復雜的、難于計算的化學反應過程，可以對復雜系統進行精確的全方位研究，因而在超冷化學和新型材料設計中具有廣泛的應用前景。但由于分子內部的振轉能級非常復雜，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制備超冷分子非常困難。隨著冷原子技術的發展，從超冷原子出發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，麻省理工學院Wolfgang Ketterle研究組觀測到原子中的Feshbach共振。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制備鉀雙原子分子。從超冷原子中制備的雙原子分子具有相空間密度高、溫度低等優點，并且可以用激光將其相干地轉移到振轉基態。近年來多種堿金屬原子的雙原子分子先后在其他實驗室中被制備出來，并被廣泛地應用于超冷化學和量子模擬的研究中。
隨著雙原子分子研究取得巨大成功，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一個開放問題。中國科大研究團隊在2019年觀測到超低溫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年初采用射頻合成技術，在鈉鉀基態分子和鉀原子的Feshbach共振附近，實現了超冷三原子分子的射頻合成。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，直接探測三原子分子并制備超冷三原子分子系綜仍然是一個實驗上的巨大挑戰。
在該項研究中，團隊從量子簡并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，從而首次成功利用磁締合技術相干地制備了高相空間密度的超冷三原子分子系綜。研究團隊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，獲得了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了約10個量級。超冷三原子分子系綜的制備為模擬量子力學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。
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