我国科学家首次观测到超低温下原子分子间的碰撞共振

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近日,中国科技大学潘建伟教授和赵博教授带领的团队首次成功观测到超低温下原子与分子三体系统之间的碰撞共振,揭示了此前只见于理论探讨的原子—分子相互作用的量子本质,解决了超冷量子化学研究领域10余年来悬而未决的一个难题,相关成果发表于国际学术期刊《科学》。

宇宙中的所有原子、分子都在不停运动,它们如何运动、如何碰撞,是物理学界一直想要理解的重要规律。“通过慢速拍摄技术,我们可以看到子弹如何穿过西瓜、玻璃等。如果我们能够制作这样一部‘3D电影’,展示在不同的场景中,原子和分子相遇、碰撞的各种细节,科学家就可以从量子层面理解化学反应的微观规律,有望借此了解原子和分子的终极运动规律。”潘建伟说,将拍摄“样片”与理论计算相结合,就可以建立模型,反推出分子和原子的相互作用,“如果对所有‘角色’完成建模,就可以利用量子力学模拟出原子、分子世界真实的运转情况。”

超低温状态下的双原子分子已经被世界上多个实验室制备出来,但多原子分子体系复杂程度大大增加,而且理论无法计算,10余年来观测超冷分子的碰撞共振一直是该研究领域在实验上的重大挑战。赵博介绍,分子这种体积大、质量重的粒子,只有在极低温度情况下才会表现出显著的量子行为。在这种条件下,分子的移动速度非常慢,科学家们就可以通过电场或者磁场锁定研究对象,有充足的时间来研究和控制它们的结构和运动。

潘建伟、赵博研究团队在超冷原子混合气中制备了温度只有几百纳开(“开”为热力学温度,“1开”相当于1摄氏度)的超冷分子。他们将钾40原子与钠23、钾40分子混合,并制备了基态中的不同超精细能级状态。在这个钾—钠—钾三体系统中,他们利用磁场调节的精密调控寻找碰撞共振,最终“拍摄”到11个共振。

研究团队表示,下一步会测量更多共振,并希望与理论学家合作,找出准确预测模型,以理解和预测超低温下的原子—分子碰撞。“这也是研究超冷分子碰撞的最终目标。”潘建伟说。