中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉、趙博等與中國科學(xué)院化學(xué)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(shí)現(xiàn)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(tài)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，向基于超冷原子分子的量子模擬和超冷量子化學(xué)的研究邁出了重要一步。2月9日，相關(guān)研究成果發(fā)表在《自然》（Nature）上。
量子計(jì)算和量子模擬具有強(qiáng)大的并行計(jì)算和模擬能力，不僅能夠解決經(jīng)典計(jì)算機(jī)無法處理的計(jì)算難題，還能有效揭示復(fù)雜物理系統(tǒng)的規(guī)律，從而為新能源開發(fā)、新材料設(shè)計(jì)等提供指導(dǎo)。量子計(jì)算研究的終極目標(biāo)是構(gòu)建通用型量子計(jì)算機(jī)，但實(shí)現(xiàn)該目標(biāo)需要制備大規(guī)模的量子糾纏并進(jìn)行容錯計(jì)算。當(dāng)前量子計(jì)算的短期目標(biāo)是發(fā)展專用型量子計(jì)算機(jī)，即專用量子模擬機(jī)，其能夠某些特定問題上解決現(xiàn)有經(jīng)典計(jì)算機(jī)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復(fù)雜的難于計(jì)算的物理系統(tǒng)，可以對復(fù)雜系統(tǒng)進(jìn)行精確的全方位的研究，因而在化學(xué)反應(yīng)和新型材料設(shè)計(jì)中具有廣泛應(yīng)用前景。
超冷分子將為實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算打開了新思路，并為量子模擬提供理想平臺。但由于分子內(nèi)部的振動轉(zhuǎn)動能級復(fù)雜，通過直接冷卻的方法來制備超冷分子十分困難。超冷原子技術(shù)的發(fā)展為制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激光、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(jì)80年代。激光冷卻原子技術(shù)的出現(xiàn)使得光合成雙原子分子得以快速發(fā)展，并在高精度光譜測量中取得了廣泛應(yīng)用。在光合成雙原子分子成功后，科研人員開始思考能否利用量子調(diào)控技術(shù)從原子和雙原子分子的混合氣中合成三原子分子。在2006年發(fā)表的綜述文章[Rev. Mod. Phys. 78，483, (2006)]中，美國國家標(biāo)準(zhǔn)局教授Paul Julienne等人回顧了光合成雙原子分子過去二十年的發(fā)展歷史，并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(lǐng)域的重要研究方向。由于光合成的雙原子分子氣存在密度低、溫度高等缺點(diǎn)，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(shù)的發(fā)展，利用磁場或射頻場合成分子成為制備超冷雙原子分子的主要技術(shù)手段。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)移到振動轉(zhuǎn)動的基態(tài)。自2008年美國科學(xué)院院士Deborah Jin和葉軍的聯(lián)合實(shí)驗(yàn)小組制備了銣鉀超冷基態(tài)分子以來，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，并被廣泛應(yīng)用于超冷化學(xué)和量子模擬研究中。
2015年，法國國家科學(xué)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)]。 但由于三原子分子的相互作用復(fù)雜，無法精確計(jì)算，因而理論上無法預(yù)測三原子分子的束縛態(tài)的能量以及散射態(tài)和束縛態(tài)的耦合強(qiáng)度。中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)研究小組在2019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(tài)的能量和散射態(tài)的能量趨于一致，同時散射態(tài)和束縛態(tài)之間的耦合被大幅度地共振增強(qiáng)。原子分子Feshbach共振的觀測為合成三原子分子提供了新機(jī)遇。但由于原子和分子的Feshbach共振十分復(fù)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(zhàn)性的問題。
該研究中，合作研究小組首次實(shí)現(xiàn)了利用射頻場相干合成三原子分子。在實(shí)驗(yàn)中，科研人員從接近絕對零度的超冷原子混合氣出發(fā)，制備了處于單一超精細(xì)態(tài)的鈉鉀基態(tài)分子。在鉀原子和鈉鉀分子的Feshbach共振附近，通過射頻場將原子分子的散射態(tài)和三原子分子的束縛態(tài)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信號，并測量了Feshbach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(xué)的研究開辟了新道路。超冷三原子分子是模擬量子力學(xué)下三體問題的理想研究平臺。三體問題十分復(fù)雜，即使經(jīng)典的三體問題由于存在混沌效應(yīng)也無法精確求解。在量子力學(xué)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(xué)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(shí)現(xiàn)超高精度的光譜測量，為刻畫復(fù)雜的三體相互作用勢能面提供了重要基準(zhǔn)。由于計(jì)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(xué)中的電子結(jié)構(gòu)問題提供了重要信息。
研究工作得到科技部、國家自然科學(xué)基金委、中科院、安徽省、上海市等的支持。
