小小的世界有大大的梦想——超冷分子化学团队制备超冷三原子分子气

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。

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。

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。

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？

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）。

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。

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。

文案：白泽、王佳

绘制：牛猫小分队

专家审核：赵博、芮俊、杨欢

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