特別說明：本文由學研匯技術中心原創撰寫，旨在分享相關科研知識。因學識有限，難免有所疏漏和錯誤，請讀者批判性閱讀，也懇請大方之家批評指正。研究背景
超冷分子為在量子水平上研究化學反應、凝聚態物理中多體問題的量子模擬以及基本常數的精密測量提供了理想的平臺。近年來，雙原子分子超冷氣體的制備和研究取得了顯著的成功。其中包括量子簡并雙原子分子氣體的產生、具有可調相互作用的量子偶極分子氣體的實現、原子-雙原子分子Feshbach共振的觀測以及超冷反應的反應產物和中間復合物的檢測。
關鍵問題
1、制備和控制超冷三原子分子氣體將是迫在眉睫的挑戰超冷三原子分子將提供了一個研究量子力學三體的理想平臺，涉及三原子分子的碰撞提供了對四體、五體和六體勢能面的靈敏探測，但超冷三原子分子氣體的制備和控制是極其困難的。直接冷卻和從超冷原子氣體中形成分子是制備超冷分子的常用方法，隨著雙原子分子形成的成功，已經開始考慮從超冷原子-雙原子分子混合物中產生三原子分子的可行性，然而，三原子分子的復雜性使得定量分析極其困難。3、三原子分子的直接探測和三原子分子超冷氣體的制備仍然難以捉摸雖然rf損失譜為三原子分子的存在提供了間接證據，并可用于測量結合能，但三原子分子的直接探測和三原子分子超冷氣體的制備仍然難以捉摸。
新思路
有鑒于此，中科大潘建偉團隊等人報道了從基態鈉-23–鉀-40(23Na40K)分子和鉀-40 (40K)原子的混合物中產生23Na40K2三原子分子的超冷氣體。該團隊曾于2022年2月10日在Nature上發表文章，報道了在超冷原子分子混合氣中，首次合成三原子分子。三原子分子是通過原子-雙原子分子Feshbach共振的絕熱磁締合產生的。通過使用射頻解離直接檢測三原子分子，獲得了創建三原子分子的明確證據。可以產生大約4000個高峰相空間密度為0.05的三原子分子。超冷三原子分子可以作為探測三體勢能面的發射臺，并可用于制備量子簡并三原子分子氣體。通過23Na40K分子和40K原子之間的Feshbach共振通過絕熱磁締合產生了三原子分子，并通過rf損耗譜測量三原子分子的結合能證明Feshbach共振是開放通道主導的。作者研究了三原子分子的絕熱磁締合，在原子-分子Feshbach共振附近進行磁關聯，通過制備量子簡并原子分子混合物和選擇開放通道主導的Feshbach共振來形成三原子分子解決了磁締合的難題。3、檢測了23Na40K分子損耗，證實了三原子分子的形成通過監測23Na40K分子在跨越共振的磁場中的損耗推斷出三原子分子的形成。通過射頻場將三原子分子分解成自由的雙原子分子和原子實現了直接探測三原子分子。通過使用射頻離解直接檢測三原子分子，獲得了創建三原子分子的明確證據。在大約100 nK的溫度下，可以產生大約4000個三原子分子，峰值密度大約為3×1011 cm3。2、將三原子分子的峰值相空間密度提高了10個數量級本工作獲得的超冷三原子分子氣體的峰值相空間密度約為0.05，比激光冷卻的三原子分子的峰值相空間密度大10個數量級。3、極大地提高了對復雜的原子-分子Feshbach共振的理解本工作可以極大地提高對復雜的原子-分子Feshbach共振的理解，這種共振由于高的態密度而難以定量描述，也可能為制備三原子分子的玻色-愛因斯坦凝聚體和產生基態超冷三原子分子提供可能性。
技術細節
三原子分子是通過23Na40K分子和40K原子之間的Feshbach共振通過絕熱磁締合產生的。首先在大約100 nK的溫度下制備了23Na原子的近似純玻色-愛因斯坦凝聚體和40K原子的深度簡并費米氣體的混合物。在77.6 G的磁場下，基態23Na40K分子通過磁締合和受激拉曼絕熱通道產生。除去23Na原子后，得到了23Na40K分子和40K原子的超冷混合物。作者通過rf損耗譜測量三原子分子的結合能來表征Feshbach共振，結果表明該共振是開放通道主導的。作者進一步研究了三原子分子的絕熱磁締合。為了在原子-分子Feshbach共振附近進行磁關聯，需要絕熱地將磁場從共振上方傾斜到三原子分子側。在這個過程中，原子-雙原子分子對可以相干地轉化為三原子分子。在目前的工作中，通過制備量子簡并原子分子混合物和選擇開放通道主導的Feshbach共振來形成三原子分子解決了磁締合轉換效率嚴重依賴于原子-雙原子分子混合物的相空間密度、三原子分子的壽命是未知的等問題。然而，如果磁場掃描太快，分子就不能有效地形成。然而，還不清楚這些進展是否足以讓磁協發揮作用。通過監測23Na40K分子在跨越共振的磁場中的損耗來尋找可能的形成信號。在制備了77.6 G的23Na40K分子和40K原子的混合物后，迅速將磁場改變到55 G，然后以大約5 G/ms的速度將磁場從55G向下傾斜到45 G。在將磁場傾斜穿過共振后，觀察到23Na40K分子的數量急劇減少，約73%的23Na40K分子丟失。對于如此高的斜坡速度，23Na40K分子的大部分損失不能完全由23Na40K分子和40K原子之間的非彈性碰撞引起。以同樣的速度提升磁場,只觀察到約40%的分子丟失。從向下和向上斜坡之間的分數損失的差異，推斷向下斜坡的額外損失可能是三原子分子形成的結果。然而，不能排除某些未知機制導致這些損失的可能性.圖 在共振中傾斜磁場引起的23Na40K分子的損失通過將三原子分子分解成自由的雙原子分子和原子來直接探測三原子分子，可以獲得產生三原子分子的明確證據。離解的主要挑戰是三原子分子的壽命短，這主要受到預離解、與原子和雙原子分子的非彈性碰撞以及陷阱激光的光激發等損失機制的限制。作者通過使用射頻場來離解三原子分子，獲得了三原子分子的直接證據。
展望
總之，作者通過絕熱磁締合從23Na40K分子和40K原子的混合物中產生了23Na40K2三原子分子的超冷氣體。陷阱激光對三原子分子的形成有強烈的有害影響。因此探索未來能否通過改變激光的波長來解決光激發問題十分重要。光激發問題也可以通過將三原子分子轉移到磁阱中來解決，因為三原子分子處于弱尋場狀態。能被射頻場離解的三原子分子是原子-分子散射閾值附近的弱束縛分子。通過簡單地將磁場傾斜到零值，它們可以轉移到處于高振動狀態的封閉通道分子，其中結合能估計為100 MHz的數量級。超冷三原子分子氣體的產生開啟了許多研究的可能性，進一步的改進可能會產生量子簡并氣體或三原子分子的玻色-愛因斯坦凝聚體。HUAN YANG, et al. Creation of an ultracold gas of triatomic molecules from an atom–diatomic molecule mixture. Science, 2022, 378(6623):1009-1013.DOI: 10.1126/science.ade6307https://www.science.org/doi/10.1126/science.ade6307
