開辟超冷化學和量子模擬研究新方向

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量子計算和量子模擬具有強大的并行計算和模擬能力，不僅能解決經典計算機無法處理的計算難題，還能有效揭示復雜體系的物理規律，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復雜難以計算的物理系統，可以對復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的研究中具有廣泛的應用前景。

高度可控的超冷分子氣體，為量子計算和量子模擬提供了全新的研究平臺，但由于分子內部振轉能級非常復雜，導致通過直接冷卻方法來制備超冷分子非常困難。超冷原子技術的發展為制備超冷分子提供了一條新的途徑，人們可以從超冷原子氣中利用激光、磁場或者射頻場等合成分子。1998年，美國麻省理工學院沃爾夫岡·克特勒研究組觀測到原子中的費希巴赫共振。2003年，科羅拉多大學黛博拉·金研究組利用費希巴赫共振制備了弱束縛鉀分子。隨后，多種雙原子分子先后在其他實驗室中被制備出來，并被廣泛應用于超冷化學和量子模擬的研究中。

超冷雙原子分子的成功制備，喚起了人們對合成超冷三原子分子的研究興趣。超冷三原子分子將會為量子模擬和超冷化學研究帶來一系列新的研究機遇。2006年，美國國家標準局保羅·朱利安教授等人指出，從雙原子分子和原子混合氣中合成三原子分子是未來超冷分子領域的一項重要研究課題。2019年，研究人員首次觀測到超低溫下鈉鉀分子和鉀原子間的費希巴赫共振。雙原子分子—原子費希巴赫共振的成功觀測，為合成三原子分子提供了可能。但是，能否和如何利用費希巴赫共振來合成三原子分子，依然是實驗上的巨大挑戰。

為了能夠在鈉鉀分子和鉀原子費希巴赫共振附近利用射頻場來合成三原子分子，研究人員首先制備了鈉鉀分子與鉀原子的超冷混合氣。在鈉鉀分子和鉀原子的費希巴赫共振附近，研究人員通過施加射頻場將鈉鉀分子—鉀原子散射態和三原子分子的束縛態耦合在一起。當共振耦合發生時，分子—原子散射態就可以相干轉移到三原子分子束縛態，從而實現三原子分子的量子相干合成。合成三原子分子的信號會隨著磁場的改變而移動，從中可以獲取費希巴赫共振附近三原子分子的束縛能。

研究人員利用普適模型對結合能進行了擬合，反推出的費希巴赫共振位置，與之前實驗測得的結果相符合。該工作由研究人員與中國科學院化學研究所白春禮研究組合作完成。該工作首次成功在基態雙原子分子—原子費希巴赫共振附近相干合成了三原子分子，為制備和操控超冷三原子分子打下了堅實基礎。隨后，研究人員在簡并的鈉鉀分子—鉀原子混合氣中通過絕熱掃描磁場的方法，制備出高相空間密度的超冷三原子分子系綜，其相空間密度比其他方法提高了約10個數量級 。

超冷三原子分子的量子相干合成，為量子模擬和超冷化學的研究開辟了一條新的道路。由于這些令人激動的應用前景，超冷三原子分子的相干合成入選英國物理學會新聞網站《物理世界》評選的2022年度國際物理學十大研究進展。入選理由為“迎接超冷化學新時代：他們的成就為物理學和化學的新研究鋪平了道路。超冷化學反應的研究、新形式的量子模擬，以及基礎科學的檢驗都得益于這些多原子分子平臺，從而也更接近于實現”。

（第一作者系中國科學技術大學教授，第二作者系中國科學技術大學教授、中國科學院院士）

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