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在成功制造超冷雙原子分子氣體后，下一個(gè)重大的實(shí)驗(yàn)挑戰(zhàn)是制備和控制三原子分子的超冷氣體。由于它們具有更多的自由度，這些氣體為分子精密光譜學(xué)和量子模擬提供了許多令人興奮的研究機(jī)會(huì)。

在此，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉院士和趙博教授等基于原子-雙原子分子費(fèi)什巴赫共振的絕熱磁締合，報(bào)道了由基態(tài)²³Na⁴⁰K分子和⁴⁰K原子的混合物產(chǎn)生的由²³Na⁴⁰K₂三原子分子組成的超低溫氣體，且通過使用射頻解離直接檢測(cè)證實(shí)了這一點(diǎn)，獲得了產(chǎn)生三原子分子的明確證據(jù)。

結(jié)果表明，大約4000個(gè)三原子分子被創(chuàng)造出來，其高峰密度比以前報(bào)道的最佳結(jié)果高10個(gè)數(shù)量級(jí)，代表了超冷化學(xué)和物理學(xué)的一個(gè)重要里程碑。相關(guān)研究成果“Creation of an ultracold gas of triatomic molecules from an atom-diatomic molecule mixture”為題發(fā)表在Science上。

發(fā)science，創(chuàng)里程碑！潘建偉團(tuán)隊(duì)第25篇Nature及Science！

超冷分子為研究量子水平的化學(xué)反應(yīng)、凝聚態(tài)物理學(xué)中多體問題的量子模擬以及基本常數(shù)的精確測(cè)量提供了一個(gè)理想的平臺(tái)。近年來，雙原子分子超冷氣體的制備和研究取得了顯著進(jìn)展，這些包括雙原子分子氣體的生產(chǎn)，具有可調(diào)相互作用的量子偶極分子氣體的實(shí)現(xiàn)，原子-雙原子分子費(fèi)什巴赫共振的觀察，以及超冷反應(yīng)的反應(yīng)產(chǎn)物和中間復(fù)合物的檢測(cè)。

在雙原子分子取得巨大成功之后，下一個(gè)實(shí)驗(yàn)挑戰(zhàn)是制備和控制超冷的三原子分子氣體，超冷的三原子分子將開辟許多研究機(jī)會(huì)。例如，三原子分子為研究量子力學(xué)三體問題提供了理想的平臺(tái)。三原子分子具有更大的控制自由度，從而為量子模擬提供了一個(gè)以前未實(shí)現(xiàn)的旋鈕。盡管有這些研究機(jī)會(huì)，但超冷三原子分子氣體的制備和控制極其困難。

實(shí)際上，制備超冷分子通常有兩種方法。一種方法是直接冷卻，例如緩沖氣體冷卻、光電冷卻或激光冷卻。對(duì)于多原子分子，據(jù)報(bào)道，CaOH分子被激光冷卻并捕獲在溫度為~100μK，峰相空間密度為~10^-12。

另一種方法是從超冷原子氣體中形成分子。在過去的二十年中，通過磁締合和光締合創(chuàng)造了各種超冷雙原子分子，超冷締合的優(yōu)點(diǎn)是分子可以繼承原子氣體的低溫和高密度，因此分子氣體可以具有較高的相空間密度。隨著雙原子分子形成的成功，一些研究人員已經(jīng)開始考慮從超冷原子-雙原子分子混合物中創(chuàng)建三原子分子的可行性，但三原子分子的復(fù)雜性使得定量分析極其困難。

在此，作者報(bào)道了由²³Na⁴⁰K基態(tài)分子和⁴⁰K原子的混合物中產(chǎn)生的由弱結(jié)合的²³Na⁴⁰K₂三原子分子組成的超低溫氣體。圖1說明了本文工作中使用的三原子分子的創(chuàng)建和檢測(cè)方法。

同時(shí)，三原子分子是通過²³Na⁴⁰K基態(tài)分子和⁴⁰K原子之間的費(fèi)什巴赫共振增加磁場(chǎng)，通過絕熱磁締合產(chǎn)生。通過使用射頻解離直接檢測(cè)三原子分子，獲得了產(chǎn)生三原子分子的明確證據(jù)。在~100nK的溫度下，可以產(chǎn)生約4000個(gè)三原子分子，其峰值密度為~3×10¹¹cm^-3。超冷三原子分子氣體的峰相空間密度為~0.05，比激光冷卻的三原子分子大~10個(gè)數(shù)量級(jí)。

本文的工作可以在很大程度上提高對(duì)復(fù)雜的原子分子費(fèi)什巴赫共振的理解，正常情況下由于態(tài)的高密度而難以定量描述。此外，本文的工作也可能為制備三原子分子的玻色-愛因斯坦凝聚態(tài)和生產(chǎn)基態(tài)超冷三原子分子開辟可能性。

圖1. 三原子分子的磁締合和射頻離解的說明

圖2. 三原子分子的結(jié)合能隨磁場(chǎng)的函數(shù)

圖3. 在共振過程中，磁場(chǎng)增強(qiáng)引起的²³Na⁴⁰K分子的損失

圖4. 三原子分子的射頻解離譜

Huan Yang?, Jin Cao?, Zhen Su, Jun Rui, Bo Zhao*, Jian-Wei Pan*, Creation of an ultracold gas of triatomic molecules from an atom-diatomic molecule mixture, 2022, Science, https://www.science.org/doi/10.1126/science.ade6307

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