我國科學家首次在超冷原子分子混合氣中實現三原子分子的量子相干合成

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合作,在超冷原子雙原子分子混合氣中首次實現三原子分子的相干合成。在該研究中,他們在鉀原子和鈉鉀基態分子的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,向基於超冷原子分子的量子類比和超冷量子化學的研究邁出了重要一步。

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合作,在超冷原子雙原子分子混合氣中首次實現三原子分子的相干合成。在該研究中,他們在鉀原子和鈉鉀基態分子的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,向基於超冷原子分子的量子類比和超冷量子化學的研究邁出了重要一步。2月10日,這一重要研究成果發表在國際權威學術期刊《自然》雜誌上。

圖: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

量子計算和量子類比具有强大的平行計算和類比能力,不僅能够解决經典電腦無法處理的計算難題,還能有效揭示複雜物理系統的規律,從而為新能源開發、新材料設計等提供指導。量子計算研究的終極目標是構建通用型量子電腦,但實現這一目標需要製備大規模的量子糾纏並進行容錯計算,仍然需要長期不懈的努力。當前量子計算的短期目標是發展專用型量子電腦,即專用量子類比機,它能够在某些特定的問題上解决現有經典電腦無法解决的問題。例如,超冷原子分子量子類比,利用高度可控的超冷量子氣體來類比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的研究,因而在化學反應和新型資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打開新的思路,並為量子類比提供理想平臺。但由於分子內部的振動轉動能級非常複雜,通過直接冷卻的方法來製備超冷分子非常困難。超冷原子科技的發展為製備超冷分子提供了一條新的途徑。人們可以繞開直接冷卻分子的困難,從超冷原子氣中利用雷射、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上世紀八十年代。雷射冷卻原子科技的出現使得光合成雙原子分子得以快速的發展,並在高精度光譜量測中取得了廣泛的應用。在光合成雙原子分子取得成功之後,人們開始思考能否利用量子調控科技從原子和雙原子分子的混合氣中合成三原子分子。在2006年發表的綜述文章[Rev. Mod. Phys. 78483,(2006)]中,美國國家標準局的PaulJulienne教授等人回顧了光合成雙原子分子過去二十年的發展歷史,並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域的一個重要研究方向。由於光合成的雙原子分子氣存在密度低、溫度高等缺點,一直無法用來研究三原子分子的合成。後來隨著超冷原子氣中Feshbach共振科技的發展,利用磁場或射頻場合成分子成為製備超冷雙原子分子的主要科技手段。從超冷原子中製備的雙原子分子具有相空間密度高、溫度低等優點,並且可以用雷射將其相干地轉移到振動轉動的基態。自2008年美國科學院院士DeborahJin和葉軍的聯合實驗小組製備了銣鉀超冷基態分子以來,多種鹼金屬原子的雙原子分子先後在其他實驗室中被製備出來,並被廣泛地應用於超冷化學和量子類比的研究中。

超冷基態分子的成功製備重新喚起了人們對合成三原子分子的研究興趣。2015年,法國國家科學研究中心的Olivier Dulieu教授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)]。但由於三原子分子的相互作用極其複雜,無法精確計算,因而理論上無法預測三原子分子的束縛態的能量以及散射態和束縛態的耦合强度。中國科學技術大學的研究小組在2019年首次觀測到超低溫下原子和雙原子分子的Feshbach共振,相關成果發表於《科學》雜誌[Science363,261(2019)]。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强。原子分子Feshbach共振的成功觀測為合成三原子分子提供了新的機遇。但由於原子和分子的Feshbach共振非常複雜,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依然是實驗上的巨大挑戰。

在該項研究中,中國科學技術大學的研究小組和中科院化學所的研究小組合作,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,通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了射頻合成三原子分子的訊號,並量測了Feshbach共振附近三原子分子的束縛能。這一工作為量子類比和超冷化學的研究開闢了一條新的道路。超冷三原子分子是類比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量測,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。

該研究工作得到了科技部、自然科學基金委、中科院、安徽省、上海市等組織的支持。

論文連結:https://www.nature.com/articles/s41586-021-04297-2

本文標題: 我國科學家首次在超冷原子分子混合氣中實現三原子分子的量子相干合成
永久網址: https://www.laoziliao.net/doc/1656032663565408
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