2月10日零點，國際著名學術期刊《自然》雜誌發表了中國科學技術大學潘建偉、趙博等與中國科學院化學所白春禮小組的合作成果——在超冷原子分子混合氣中，首次合成三原子分子。該成果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重要一步。
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。
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研究，因而在化學反應和新型材料設計中具有廣泛的應用前景。
超冷分子將為實現量子計算開啟新思路，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非常困難。
近年來，超冷原子技術的發展為製備超冷分子提供了一條新途徑。人們可以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。從原子和雙原子分子的混合氣中合成三原子分子，是合成分子領域的重要研究方向。
2019年，中國科大研究小組首次觀測到超低溫下原子和雙原子分子的Feshbach共振。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共振的成功觀測，為合成三原子分子提供了新機遇。
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
在該項研究中，中國科學技術大學研究小組和中國科學院化學所研究小組合作，首次成功實現了利用射頻場相干合成三原子分子。在實驗中，他們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，科研人員透過射頻場，將原子分子的散射態和三原子分子的束縛態耦合在一起。
他們成功地在鈉鉀分子的射頻損失譜上觀測到射頻合成三原子分子訊號，並測量了Feshbach共振附近三原子分子的束縛能。
這一成果為量子模擬和超冷化學的研究開闢了一條新道路。
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。三體問題極其複雜，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一直都是少體物理中的一個重要難題。
此外，超冷三原子分子可以用來實現超高精度的光譜測量。這為刻畫複雜的三體相互作用勢能面提供了重要的基準。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的資訊。
作者：許琦敏
圖片：NATURE官網、中科大
