我國科學家首次觀測到超低溫下原子分子間的碰撞共振 揭示原子—分子相互作用的量子本質

近日，中國科技大學潘建偉教授和趙博教授帶領的團隊首次成功觀測到超低溫下原子與分子三體系統之間的碰撞共振，揭示了此前只見于理論探討的原子—分子相互作用的量子本質，解決了超冷量子化學研究領域10余年來懸而未決的一個難題，相關成果發表于國際學術期刊《科學》。

宇宙中的所有原子、分子都在不停運動，它們如何運動、如何碰撞，是物理學界一直想要理解的重要規律。“通過慢速拍攝技術，我們可以看到子彈如何穿過西瓜、玻璃等。如果我們能夠制作這樣一部‘3D電影’，展示在不同的場景中，原子和分子相遇、碰撞的各種細節，科學家就可以從量子層面理解化學反應的微觀規律，有望借此了解原子和分子的終極運動規律。”潘建偉說，將拍攝“樣片”與理論計算相結合，就可以建立模型，反推出分子和原子的相互作用，“如果對所有‘角色’完成建模，就可以利用量子力學模擬出原子、分子世界真實的運轉情況。”

超低溫狀態下的雙原子分子已經被世界上多個實驗室制備出來，但多原子分子體系復雜程度大大增加，而且理論無法計算，10余年來觀測超冷分子的碰撞共振一直是該研究領域在實驗上的重大挑戰。趙博介紹，分子這種體積大、質量重的粒子，只有在極低溫度情況下才會表現出顯著的量子行為。在這種條件下，分子的移動速度非常慢，科學家們就可以通過電場或者磁場鎖定研究對象，有充足的時間來研究和控制它們的結構和運動。

潘建偉、趙博研究團隊在超冷原子混合氣中制備了溫度只有幾百納開(“開”為熱力學溫度，“1開”相當于1攝氏度)的超冷分子。他們將鉀40原子與鈉23、鉀40分子混合，并制備了基態中的不同超精細能級狀態。在這個鉀—鈉—鉀三體系統中，他們利用磁場調節的精密調控尋找碰撞共振，最終“拍攝”到11個共振。

研究團隊表示，下一步會測量更多共振，并希望與理論學家合作，找出準確預測模型，以理解和預測超低溫下的原子—分子碰撞。“這也是研究超冷分子碰撞的最終目標。”潘建偉說。