虎虎生威过新年！春节刚刚过去，在冬奥会的雪场冰面之上，体育健儿斩金夺银，为国增光；而在另一片更加“极寒”之地——超冷原子和分子领域，大陆科学家们也不断取得新的突破。
左：冬奥吉祥物“冰墩墩”；右：超冷原子的卡通图
为什么要研究超冷量子化学
当谷爱凌、苏翊鸣在空中做出各种惊险动作时，观众们在台下看的也是热血沸腾、激动不已，选手和观众都产生了肾上腺素等化学物质，身体发生了“化学反应”。其实，化学反应的本质，就是组成世界的原子、分子们，在彼此间相互作用力的牵绊之下，进行各种排列组合并改变各自的状态而形成新产物的故事。
从初中时，我们就从课本和实验课上接触各种化学反应了，但我们能观测到的是宏观现象：一堆物质A、物质B等进入“暗箱”，出来的时候就是一堆新的物质C或更多了。
“暗箱”里究竟发生了什么？从反应物到产物，每个原子、分子的状态都经历了怎样的变化历程？这问题看起来简单，实际研究起来，难度可比“左转双周偏轴转体1620度”大多了。化学反应中包含着大量的微观通道，因为每个原子都是一个异常复杂的量子系统——没错，就是谷爱凌特别喜欢的量子物理那个量子。想梳理清楚化学反应的每一个细节，无论在理论上还是实验上，都是难以企及的挑战。
不过，金牌要一块一块拿，对化学反应的微观解析要一步一步走，一个特别有效的方式就是超冷量子化学。我们知道，粒子在永无止息地做着无规则运动（热运动），在宏观上，这就表现为温度。常温下，原子们就像短道速滑运动员，一边高速运动一边“碰撞”，不过，科学界可没有“猎豹”摄像头，能拍到它们的一举一动。怎么办？降低温度，把温度降到绝对零度附近，速滑原子变成了“冰敦敦”，走路只能一步一蹦，这下科学家们就可以把原子制备到我们希望的某个特定的量子态上。在科学家们的指引下，原子从一种状态转化到另外一种状态。这样，我们就有了“可控”的化学反应过程，可以“一帧一帧”的观看化学反应的过程啦。
超冷原子、分子：一生二 二生三 三生万物
有了“可控化学反应”的目标，科学家们开始为之努力了。一种努力的方向是将常温下的分子进行冷却，把它的温度不断降低，逼近绝对零度。然而，为了达到极低温，常用的激光冷却技术需要循环跃迁，这就对分子的能级提出了苛刻的要求。分子的能级结构比原子的复杂的多，只有少数分子有近似的循环跃迁。这让直接冷却的道路变得非常困难。幸运的是，超冷原子可以很方便的制备，通过激光制冷、磁光阱、蒸发制冷等手段，人们能够制备出密度高、温度低的超冷原子气。
冷原子的成功制备为制备超冷分子提供了新的途径。从上世纪八十年代开始，科学家就开始研究利用光从冷原子气中合成双原子分子，并成功了合成了多种双原子分子。在双原子分子的合成取得成功之后，科学界开始思考从原子和双原子分子混合气出发进一步合成三原子分子的可能性。
一生二，二生三，三生万物。然而从一到二，从二到三，哪一步不需要付出巨大的努力呢？科学家原以为原子和光合成的双原子分子混合气的方式会比较容易得到三原子分子，然而这种方法得到的双原子分子气，密度低、温度高，在这样薄弱的“地基”上是难以建立起高楼的。
此路不通，科学家们就再开一条。他们发展了超冷原子气中的Feshbach共振技术，陆续制备了多种碱金属原子（锂、钠、钾、铷等）的双原子分子。什么是Feshbach共振呢？比如说钠原子和钾原子，在原子力的作用下，经过散射它们会“拥抱”到一起，形成弱束缚分子。如果钠钾的散射态和束缚态的能量一样，则会产生“共振”，大大增强两种状态之间的转变。利用Feshbach共振技术，科学家们终于能制备出密度高且温度低的双原子分子气。
然而，经过多年的努力，人们仍然没看到合成三原子分子的曙光。这是因为困扰人们的——“三体问题”。
原子-分子Feshbach共振与“量子三体”的到来
三体问题是物理学上一个“臭名昭著”的难题。它源自天体力学，是指三个质量、初始位置和初始速度都是任意的可视为质点的天体，在相互之间万有引力的作用下的运动规律问题。
经典的三体问题异常复杂、存在混沌效应，不能精确求解，量子三体问题则更是难上加难了。三原子分子的能级、寿命等性质，散射态和束缚态的耦合强度等等，都无法准确的计算。缺少理论的最基本的指引，要迈向三原子分子，犹如盲人摸象，困难可想而知。玩过拼图或积木的小朋友都会有感受，如果连成品的图案你都不知道，面对一块块散乱的零件，你将如何下手呢？据说世界上最大的拼图有五万多片，最狠的是，宇宙给科学家拼图的同时，没有给成品图案。科学家，emo了！
但是，最高端的玩家，就是能耐得住寂寞，对挑战迎难而上。中国科大的研究团队多年来在这一领域潜心深耕，也获得了一系列优秀的研究成果。
他们首先向原子-分子的Feshbach共振进军。超低温原子-分子碰撞中是否存在可观测的Feshbach共振，其性质如何，在之前这都是未知的。其挑战性可想而知！无数的思考和技术进步，多少个日日夜夜，在2019年，中国科学技术大学的研究团队终于国际上首次观测到了超低温下原子和双原子分子的Feshbach共振[Science 363, 261 (2019)]。（相关科普漫画请看“超低温下测量原子间作用力，能否破解化学反应的奥秘？”）
这如同一道曙光，照在了通往三原子分子的道路上。在Feshbach共振附近，散射态和束缚态能量趋于一致，这样就可以知道束缚态的大概位置了。同时，共振又大幅增强了散射态和束缚态的耦合强度，有利于从散射态过渡到束缚态分子。
但三体问题这一“幽灵”仍然横亘在人们面前。原子和分子的Feshbach共振虽然被观测到了，但它非常复杂，至今还没有理论模型能对其进行描述。共振附近三原子分子的寿命、性质，我们也都不清楚。如同行走在灰暗中，我们怎样才能摸索到正确的路呢？真的能利用Feshbach共振来合成三原子分子吗？如何去做？
从超冷原子和双原子分子混合气中利用射频场合成三原子分子的示意图
在最近这项研究中，中国科学技术大学的研究团队和中科院化学所的研究团队合作，首次成功地利用射频场相干合成了三原子分子。具体来说，第一步，备菜，即先制备出所需的超冷双原子分子（钠钾分子）和超冷原子（钾原子）。第二步，找准火候。基于2019年的工作，选定原子和分子的Feshbach共振位置。第三步，烹制。在原子-分子Feshbach共振附近，通过射频场将原子分子散射态直接耦合到三原子分子的束缚态。利用射频场的好处在于，射频合成三原子分子会导致独特的钠钾分子损失谱，从中我们不仅能看到三原子分子的合成信号，还能测量出三原子分子在Feshbach共振附近的束缚能。
谷爱凌的夺冠一跳，背后是无数苦练的日夜。一举合成三原子分子，何尝不是中国优秀青年们日夜努力的结果！而这必将在超冷分子制备领域开辟一个新的方向！
结 语
合成超冷三原子分子，不仅能为研究量子力学下三体问题提供平台，另外，超冷分子的能级能被超高精度地测量，这为研究量子化学中的电子结构问题提供了重要的信息。下一步，研究人员还将努力提高超冷三原子分子的产生率和寿命，以制备密度高、温度低的超冷三原子分子气。从长远来看，这一工作为超冷化学的量子模拟提供了一种大家长久期盼的重要实验技术手段，将为量子模拟和超冷量子化学开辟出新的疆域。
超冷量子化学研究，不仅能使我们对化学反应过程有更清晰的理解，从而给新材料、新药物研发带来新契机；另外，因其独特的能级结构等性质，超冷分子还是实现量子计算和量子模拟的理想候选之一，在量子信息处理、量子精密测量等领域都有潜在应用。
我们常见的化学反应是由大自然主导的，而在超冷量子化学中，人有了很大的主动性，科学家们成了化学反应这出“大戏”的导演。从对量子规律进行被动的观测，然后对量子规律的宏观体现进行应用，到直接对单个原子、分子等粒子的状态进行主动制备、精确操纵和测量，并对粒子间的相互作用进行主动调控，从而利用量子规律认识和改造世界，这是过去几十年里量子科技领域的一个主旋律，意味着人类认识和改造世界达到了新高度。
感谢赵博、杨欢老师对科普文章写作提供的指导和帮助。
（王佳、白泽）
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