科學家從未停止對單原子和單分子的追逐。
20世紀60年代后期，美國物理學家Arthur Ashkin開啟了激光操縱微粒的研究工作。1986年，Arthur Ashkin正式發明了光鑷技術，開啟了人類對單個原子、分子和生物細胞的序幕。受到這些工作的啟發，朱棣文發展了一種用激光冷卻俘獲原子的方法。
1997年，朱棣文獲得諾貝爾物理學獎。
2018年，被稱為光鑷之父的Arthur Ashkin也于96歲高齡獲得諾貝爾物理學獎。
超冷單分子
超冷單分子在基礎研究領域具有廣泛的潛在應用。作為一種關鍵的量子資源，超冷分子比超冷原子擁有更豐富的內部能級，在超冷化學、高精度測試、量子模擬和量子計算等前沿領域備受關注。但是由于對復雜原子-分子結構的全面控制非常困難，形成相干的單原子有較大挑戰。
20世紀后半期，物理學家就能利用激光使原子運動減速，從而將原子冷卻到非常接近絕對零度的低溫，以遵守量子力學定律。分子冷卻，比原子冷卻要更難，因為分子更重，更難以對激光起作用。雖然，科學家于2010年使用激光，成功把分子冷凍到接近絕對零度。
然而，即便兩次獲得諾貝爾物理學獎，光學捕獲和操縱單個原子和單個分子，至今仍然存在許多重大關鍵難題懸而未決。
其中一個關鍵問題就在于，無法對多個原子形成分子的原子/分子系統進行所有自由度全面相干操控的精準控制。
中國科學院武漢物理與數學研究所詹明生等經過多年連續工作，構建了85Rb、87Rb異核原子體系，實現了對原子、原子結合生成分子的過程控制，逐步實現了對該體系中全部自由度的控制。
厚積薄發
中國科學院武漢物理與數學研究所詹明生團隊長期致力于原子操縱領域的研，在85Rb、87Rb異核原子領域操縱的進行了一系列工作。
2015年，詹明生等首次報道了將85Rb、87Rb原子耦合囚禁的實驗方法。
Interaction-induced decay of a heteronuclear two-atom system, Nature Commun 2015, 6, 7803 DOI: 10.1038/ncomms8803
2017年，詹明生等首次在異核原子85Rb、87Rb中實現了相干操控，實現了距離3.8 μm的量子糾纏現象。作者發現相對于同種原子的量子糾纏體系，異核原子量子糾纏現象有一定優勢，比如可能受到的干擾更低等。
Entangling Two Individual Atoms of Different Isotopes via Rydberg Blockade, Phys. Rev. Lett. 2017, 119, 160502
2020年9月24日，在之前研究的基礎上，詹明生、何曉東等人報道了一種新方法，利用微波將一對超冷異核原子相干合成為單個超冷分子，在國際上首次實現單個分子的相干合成。
他們將原子自旋通過強聚焦固有偏振梯度激光實現兩個原子相對運動的耦合，從而將兩個原子能夠在MHz頻率形成較弱的結合狀態，這種相干作用展現了長壽命自旋-運動耦合（SMC, spin-motion coupling）Rabi振蕩。此外，作者在控制分子的運動能級條件中，精確測定了形成分子的結合能。
系統搭建方法
以85Rb、87Rb兩個原子作為研究對象，研究人員調控了其量子運動、考察原子結合為分子的過程。具體而言，作者通過使用微波（MW）將85Rb(↑)、87Rb(↑)狀態的85Rb(↑)自旋翻轉得到85Rb(↓)，得到85Rb(↓) 87Rb(↑)。
通過對比單獨85Rb(↑)、85Rb(↑)和87Rb(↑)相互作用體系自旋翻轉過程變化，展示了自旋-運動耦合過程中的帶邊過渡（sideband transition）現象。在ωZ=2π×27 kHz測試發現原子形成分子的過程中長壽命Rabi相干震蕩（平均Rabi頻率達到2π×3.95 kHz）。
圖1. 操控85Rb、87Rb原子自旋翻轉/成鍵構建分子
此外，作者還測試了原子結合為分子的結合能，散射和分子狀態之間的差分光位移。
這項研究結果為超冷化學領域中態-態轉變過程中的運動狀態、少數個體體系中分子動力學操控。這種自旋-運動耦合方法（SMC）對于靠近平衡狀態/較大散射距離的不同態之間的操控非常重要，展示了對原子-分子體系中全體自由度控制的方法。
圖2. 原子形成分子過程以及Rabi振蕩
結語
這項研究成功實現了超冷單分子的相干合成，單分子運動的操縱，以及結合能的精確測量，為全面控制原子-分子體系全自由度相干操控打開了新的大門。
然而，這項技術的可操作性是否穩定可靠？成功率有多高？是否可以拓展到其他元素的原子分子體系？依然有待進一步探索。
參考文獻：
Xiaodong He et al. Coherently forming a single molecule in an optical trap, Science 2020.
DOI: 10.1126/science.aba7468
https://science.sciencemag.org/content/early/2020/09/23/science.aba7468
