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我国科学家首次实现单个分子的相干合成
中国科学报 何晓东 袁一雪 / 时间:2020-10-11 20:52:06

科学网10月10日讯:由中国科学院精密测量研究院研究员詹明生、副研究员何晓东等科研人员组成的研究团队,在实验室中利用微波将光阱中一对超冷异核原子相干合成单个超冷分子,在国际上首次实现单个分子的相干合成。研究工作由该研究团队联合包括维也纳工业大学、北京计算科学研究中心、清华大学、上海交通大学、巴黎萨克雷大学等国内外机构的研究人员共同完成。9月25日,该重要研究进展发表在国际著名学术期刊《科学》杂志上。

操控原子-分子体系的所有自由度,一直以来是量子体系调控的追求。从激光冷却原子到超冷原子再到原子量子计算,对原子体系量子态的操控达到了非常精密的程度。然而,从原子相干地生成分子从而实现原子-分子之间的相干转化,看似一步之遥,实则面临众多挑战。

另一方面,冷分子有着比冷原子更丰富的内部能级,因而被视为一种非常重要的量子资源,可被用于超冷化学、凝聚态体系的量子模拟、检验基本物理学的精确测量、量子信息处理等诸多前沿科学研究中。为了充分发挥超冷分子体系的优势,人们需要具备对单个分子的完全操控的能力。然而,同样由于分子复杂的能级结构以及分子间复杂的相互作用,在实验上制备和操控单个冷分子极具挑战性。

通向单分子操控的有效途径之一是基于光阱中完全操控单原子的能力,进而从少体原子合成单分子(如图1)。此前虽有来自美国哈佛大学的研究组演示了在光阱中利用光缔合技术将一对异核原子合成单个双原子分子,但由于受限于光缔合过程中伴随的自发辐射所引起的强的退相干效应,使得无法实现单个分子的相干合成。

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图1.在光阱中将两个原子相干合成一个分子,同时实现两原子量子体系中原子态与分子态的可控相干叠加

为了克服合成单分子过程中的退相干问题,詹明生团队另辟蹊径,首创了一种单分子的相干合成的方法,即所谓的原子自旋与相对运动波函数耦合(Spin - Motion Coupling,缩写为SMC)的新机制。首先,他们选用微波而非激光合成分子,相比后者,微波不对原子产生自发辐射等退相干效应;其次,在SMC机制支配下,光阱中的原子之间的相对运动波函数偏离分子相互作用势的中心,从而导致与弱束缚态波函数之间的重叠积分得到增强,也就是原子-分子间的微波跃迁的概率得到增强,最终实现了处于囚禁势基态的单个分子(85Rb87Rb)的相干合成。同时他们通过人为调整微波强度,实现了光阱中双原子与单个分子之间长寿命的拉比振荡,即实现了两原子量子体系中原子态与分子态的可控相干叠加(如图2)。

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图2:原子-分子之间的相干拉比振荡

SMC方法与通常的Feshbach共振和光缔合不同,可用于无Feshbach共振的双原子(如重要的碱土金属系统)合成单分子;同时相比于通常的光缔合方法,该方法避免了光缔合过程存在的退相干缺陷,是一种纯净的分子态操控方法,具有优越的相干性。

这项工作标志着对原子之间核间距自由度的相干控制,开启了原子-分子体系所有自由度全面相干操控的研究大门。为基元化学反应过程相干控制、量子少体束缚态的相干合成及其量子调控提供了可能性。以相干的方式操控量子少体束缚态系统的内外态将对化学物理、核物理以及粒子物理中的少体问题的研究发挥独特的促进作用,具有潜在的重要的科学价值。

《科学》杂志通过First Release方式在线发表了该重要研究进展。何晓东、詹明生为通讯作者,何晓东与博士生王坤鹏为文章的共同第一作者。该研究得到了科技部重点研发计划、国家自然科学基金委、中科院先导专项和青促会的资助。