超冷三原子分子入选年度十大进展，通过漫画来认识下它吧！

中国物理学会期刊网 2023-04-26

The following article is from 墨子沙龙 Author 墨子沙龙

近日，中国科大和中科院化学所团队超冷三原子分子合成的工作入选“2022年度中国科学十大进展”。早前，这一工作同样入选了英国物理学会《物理世界》评选的“2022年度十大突破”。超冷三原子分子为什么如此重要，墨子沙龙进行过详细解读，让我们通过漫画再来了解下吧！

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妞妞是一个初中生，第一堂化学课，老师给他们展示了一个非常有趣的实验——金属钠和水的反应。

妞妞回到家，爸爸告诉她，他的实验室也在做钠原子和钾原子的化学反应实验。

但是当妞妞来到爸爸实验室的时候，她没有看到烧杯、试管，只看到了很多小镜子和激光器。

爸爸告诉妞妞，他们的实验室叫做“超冷分子化学实验室”。在超低温度（接近绝对零度）下，他们让钠钾分子和钾原子发生反应，最终生成三原子分子。

化学反应是怎么发生的？化学反应的性质为什么是这样的？化学反应是怎样从量子层面过渡到经典世界的？要解开这个问题，要从更早的时候说起。

从古代起，人们就好奇物质的性质。中国用五行学说来描述世界万物的形成和相互关系，古希腊人把水、气、火、土当成世界万物之源。

后来，人们试着将两种或几种物质放在一起，通过制造一些条件，希望它们发生反应并产生新的物质，并寻找其中的规律。

17世纪的科学家罗伯特·波义耳，第一个给出了化学元素的定义，提倡为认识事物的本质而研究化学。

现代化学之父安托万-洛朗·拉瓦锡1773年通过实验制备了氧气（那时他只知道这种气体有助于燃烧，还能帮助呼吸），并于1778年认识并命名了氧气，化学从定性走向了定量的转变。

而1803年，英国化学家、物理学家约翰·道尔顿提出的原子学说，更是让化学学科获得了重大的进展。

道尔顿的原子学说主要观念：（1）化学元素由不可分的微粒——原子构成。（2）同种元素的原子性质和质量都相同，不同元素原子的性质和质量各不相同。（3）不同元素化合时，原子以简单整数比结合。

1900年，量子力学诞生了，有别于经典世界的物理理论，量子力学是研究在微观层面的粒子运动的科学。科学家发现，化学的本质是原子分子的相互作用，交换和动力学演化，最终研究都将在原子、分子层面进行。

如果我们能掌握微观粒子们化学“反应”的本质，就相当于拥有了微观粒子“活动手册”，对于新材料和新药物的合成与制备起到非常重要的指导作用。

狄拉克曾经说过：大部分物理和整个化学的数学理论所必需的基本物理定律已经完备了，而困难之处仅在于这些定律的精确应用会导致方程过于复杂而无法求解。因此，只要能求解描述原子核和电子的多粒子薛定谔方程，我们就能洞察化学的一切奥秘。

不过，愿景非常美好，实施起来就困难多了。

事实上，在量子化学的世界里，即使是三体问题，也无法精确求解。

量子三体问题没有严格可解模型，所以只能数值求解。一方面，现在计算的精度不够，也就是实验得出的结果，经典计算机无力“验算”；另一方面，粒子相互作用中的参数太多，解决了前面的“高山”，后面还有“群峰”。所以即使是最简单的H3+离子，很多实验测到的光谱理论也无法解释。

但是，怎么“计算”呢？三体这么复杂的问题，没有成熟的理论，经典计算机算不了，量子计算机研究刚刚起步，科学家是不是没办法了？

小孩子才担心，科学家选择撸起袖子直接干——算不出来，我们就在实验室中直接操控原子分子间的三体“化学反应”。

不过，想要操控原子、分子可不容易，为了让它们乖乖听话，科学家们各显神通，最著名也最常见的就是激光冷却、囚禁等技术。

所谓激光冷却，就是利用激光技术，实现光子和原子的动量交换，从而冷却原子。原子的激光冷却技术已经很成熟，再结合磁光阱、蒸发制冷等手段，人们制备出了温度低、密度高的超冷原子气体。

这种“电子循环跃迁”降温的方式对原子进行冷却非常好用，但是对分子就不太好用了。分子的能级结构比原子复杂得多——振转能级不存在循环跃迁。目前，人们只在少数分子中发现了近似的循环跃迁。

科学家尝试对分子直接进行冷却，不过这是非常艰难的。对多原子分子来说，目前世界上最好的结果是将CaOH分子冷却到了100μK，但分子密度还很低（太稀薄）。

从20世纪80年代开始，科学家就试着用冷原子合成冷分子的方式给分子“降温”，即利用光缔合从冷原子气中合成出双原子分子。但这种方法得到的分子气密度低、温度也比较高。

于是科学家们又探索了另一种技术——Feshbach共振技术。Feshbach共振是指原子们经过散射会牵扯在一起，形成弱束缚分子，如果散射态和束缚态的能量一致，则会产生共振，这会大大增强散射态和束缚态的耦合强度。而且，Feshbach共振可以通过外加磁场来调控，这就给了我们新的机会：利用磁场来将原子合成分子。如今，Feshbach共振技术成为合成双原子分子的最常用的技术手段。

既然原子的Feshbach共振可以用来合成双原子分子，那如果有双原子分子和原子的Feshbach共振，不就可以合成三原子分子了吗？但问题是双原子分子和原子间磁场可调的Feshbach共振存在吗？2019年，中国科大潘建伟、赵博研究团队在国际上首次观测到了超低温下钾原子（⁴⁰K）和钠钾分子（²³Na⁴⁰K）的Feshbach共振。这意味着，利用Feshbach共振实现三原子分子合成是有可能实现的！

2022年初，在Feshbach共振附近，研究团队通过射频场将原子分子散射态直接耦合到三原子分子的束缚态。射频合成三原子分子所导致的钠钾分子损失谱，给出了三原子分子合成的间接证据。这项工作于2022年2月9日发表在Nature杂志上。

不到一年的时间，研究团队通过努力，将温度降低至100nK，制备出了温度更低、密度更高的简并的钠钾分子和钾原子混合气，这使得研究团队可以通过Feshbach共振磁缔合方法来将钠钾分子和钾原子合成三原子分子。最终，得到了含有约4000个²³Na⁴⁰K₂分子的超冷分子气。通过射频解离三原子分子，观测解离谱的行为，研究团队得到了合成三原子分子的直接、确切证据。

这项工作于2022年12月2日发表在Science杂志上。一年内接连登上Nature、Science杂志，看起来是闪电般的成绩，其实这项工作是十年努力的结果，从2012年开始搭建钠钾分子实验室，2019年观测到钠钾分子和钾原子Feshbach共振，2022年初观测到射频合成三原子分子证据，直到今年年底制备超冷三原子分子气体，是一步一步走的踏实工作。

而对科学家来说，这是超冷分子和超冷化学领域的个里程碑，也是一个全新的开始。未来，量子三体问题的解决，超冷反应奥秘的探索，以及由于分子丰富而独特的能级结构，在量子信息处理、量子精密测量等领域的潜在应用，都等待着科学家们去发掘。

文案：白泽、王佳

绘制：牛猫小分队

专家审核：赵博、芮俊、杨欢

本文转载自《墨子沙龙》微信公众号

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