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    量子三體:超冷量子化學取得新突破
    來源:互聯網   發布日期:2022-02-10 09:32:44   瀏覽:13817次  

    導讀:虎虎生威過新年!春節剛剛過去,在冬奧會的雪場冰面之上,體育健兒斬金奪銀,為國增光;而在另一片更加極寒之地 超冷原子和分子 領域,我國科學家們也不斷取得新的突破。 左:冬奧吉祥物冰墩墩;右:超冷原子的卡通圖 為什么要研究超冷量子化學 當谷愛凌、蘇...

    虎虎生威過新年!春節剛剛過去,在冬奧會的雪場冰面之上,體育健兒斬金奪銀,為國增光;而在另一片更加“極寒”之地超冷原子和分子領域,我國科學家們也不斷取得新的突破。

    左:冬奧吉祥物“冰墩墩”;右:超冷原子的卡通圖

    為什么要研究超冷量子化學

    當谷愛凌、蘇翊鳴在空中做出各種驚險動作時,觀眾們在臺下看的也是熱血沸騰、激動不已,選手和觀眾都產生了腎上腺素等化學物質,身體發生了“化學反應”。其實,化學反應的本質,就是組成世界的原子、分子們,在彼此間相互作用力的牽絆之下,進行各種排列組合并改變各自的狀態而形成新產物的故事。

    量子三體:超冷量子化學取得新突破

    量子三體:超冷量子化學取得新突破

    從初中時,我們就從課本和實驗課上接觸各種化學反應了,但我們能觀測到的是宏觀現象:一堆物質A、物質B等進入“暗箱”,出來的時候就是一堆新的物質C或更多了。

    量子三體:超冷量子化學取得新突破

    “暗箱”里究竟發生了什么?從反應物到產物,每個原子、分子的狀態都經歷了怎樣的變化歷程?這問題看起來簡單,實際研究起來,難度可比“左轉雙周偏軸轉體1620度”大多了;瘜W反應中包含著大量的微觀通道,因為每個原子都是一個異常復雜的量子系統沒錯,就是谷愛凌特別喜歡的量子物理那個量子。想梳理清楚化學反應的每一個細節,無論在理論上還是實驗上,都是難以企及的挑戰。

    量子三體:超冷量子化學取得新突破

    不過,金牌要一塊一塊拿,對化學反應的微觀解析要一步一步走,一個特別有效的方式就是超冷量子化學。我們知道,粒子在永無止息地做著無規則運動(熱運動),在宏觀上,這就表現為溫度。常溫下,原子們就像短道速滑運動員,一邊高速運動一邊“碰撞”,不過,科學界可沒有“獵豹”攝像頭,能拍到它們的一舉一動。怎么辦?降低溫度,把溫度降到絕對零度附近,速滑原子變成了“冰敦敦”,走路只能一步一蹦,這下科學家們就可以把原子制備到我們希望的某個特定的量子態上。在科學家們的指引下,原子從一種狀態轉化到另外一種狀態。這樣,我們就有了“可控”的化學反應過程,可以“一幀一幀”的觀看化學反應的過程啦。

    量子三體:超冷量子化學取得新突破

    量子三體:超冷量子化學取得新突破

    超冷原子、分子:一生二 二生三 三生萬物

    有了“可控化學反應”的目標,科學家們開始為之努力了。一種努力的方向是將常溫下的分子進行冷卻,把它的溫度不斷降低,逼近絕對零度。然而,為了達到極低溫,常用的激光冷卻技術需要循環躍遷,這就對分子的能級提出了苛刻的要求。分子的能級結構比原子的復雜的多,只有少數分子有近似的循環躍遷。這讓直接冷卻的道路變得非常困難。幸運的是,超冷原子可以很方便的制備,通過激光制冷、磁光阱、蒸發制冷等手段,人們能夠制備出密度高、溫度低的超冷原子氣。

    冷原子的成功制備為制備超冷分子提供了新的途徑。從上世紀八十年代開始,科學家就開始研究利用光從冷原子氣中合成雙原子分子,并成功了合成了多種雙原子分子。在雙原子分子的合成取得成功之后,科學界開始思考從原子和雙原子分子混合氣出發進一步合成三原子分子的可能性。

    一生二,二生三,三生萬物。然而從一到二,從二到三,哪一步不需要付出巨大的努力呢?科學家原以為原子和光合成的雙原子分子混合氣的方式會比較容易得到三原子分子,然而這種方法得到的雙原子分子氣,密度低、溫度高,在這樣薄弱的“地基”上是難以建立起高樓的。

    此路不通,科學家們就再開一條。他們發展了超冷原子氣中的Feshbach共振技術,陸續制備了多種堿金屬原子(鋰、鈉、鉀、銣等)的雙原子分子。什么是Feshbach共振呢?比如說鈉原子和鉀原子,在原子力的作用下,經過散射它們會“擁抱”到一起,形成弱束縛分子。如果鈉鉀的散射態和束縛態的能量一樣,則會產生“共振”,大大增強兩種狀態之間的轉變。利用Feshbach共振技術,科學家們終于能制備出密度高且溫度低的雙原子分子氣。

    然而,經過多年的努力,人們仍然沒看到合成三原子分子的曙光。這是因為困擾人們的“三體問題”。

    原子-分子Feshbach共振與“量子三體”的到來

    三體問題是物理學上一個“臭名昭著”的難題。它源自天體力學,是指三個質量、初始位置和初始速度都是任意的可視為質點的天體,在相互之間萬有引力的作用下的運動規律問題。

    經典的三體問題異常復雜、存在混沌效應,不能精確求解,量子三體問題則更是難上加難了。三原子分子的能級、壽命等性質,散射態和束縛態的耦合強度等等,都無法準確的計算。缺少理論的最基本的指引,要邁向三原子分子,猶如盲人摸象,困難可想而知。玩過拼圖或積木的小朋友都會有感受,如果連成品的圖案你都不知道,面對一塊塊散亂的零件,你將如何下手呢?據說世界上最大的拼圖有五萬多片,最狠的是,宇宙給科學家拼圖的同時,沒有給成品圖案?茖W家,emo了!

    量子三體:超冷量子化學取得新突破

    量子三體:超冷量子化學取得新突破

    但是,最高端的玩家,就是能耐得住寂寞,對挑戰迎難而上。中國科大的研究團隊多年來在這一領域潛心深耕,也獲得了一系列優秀的研究成果。

    他們首先向原子-分子的Feshbach共振進軍。超低溫原子-分子碰撞中是否存在可觀測的Feshbach共振,其性質如何,在之前這都是未知的。其挑戰性可想而知!無數的思考和技術進步,多少個日日夜夜,在2019年,中國科學技術大學的研究團隊終于國際上首次觀測到了超低溫下原子和雙原子分子的Feshbach共振[Science 363, 261 (2019)]。(相關科普漫畫請看“超低溫下測量原子間作用力,能否破解化學反應的奧秘?”)

    這如同一道曙光,照在了通往三原子分子的道路上。在Feshbach共振附近,散射態和束縛態能量趨于一致,這樣就可以知道束縛態的大概位置了。同時,共振又大幅增強了散射態和束縛態的耦合強度,有利于從散射態過渡到束縛態分子。

    但三體問題這一“幽靈”仍然橫亙在人們面前。原子和分子的Feshbach共振雖然被觀測到了,但它非常復雜,至今還沒有理論模型能對其進行描述。共振附近三原子分子的壽命、性質,我們也都不清楚。如同行走在灰暗中,我們怎樣才能摸索到正確的路呢?真的能利用Feshbach共振來合成三原子分子嗎?如何去做?

    量子三體:超冷量子化學取得新突破

    從超冷原子和雙原子分子混合氣中利用射頻場合成三原子分子的示意圖

    在最近這項研究中,中國科學技術大學的研究團隊和中科院化學所的研究團隊合作,首次成功地利用射頻場相干合成了三原子分子。具體來說,第一步,備菜,即先制備出所需的超冷雙原子分子(鈉鉀分子)和超冷原子(鉀原子)。第二步,找準火候;2019年的工作,選定原子和分子的Feshbach共振位置。第三步,烹制。在原子-分子Feshbach共振附近,通過射頻場將原子分子散射態直接耦合到三原子分子的束縛態。利用射頻場的好處在于,射頻合成三原子分子會導致獨特的鈉鉀分子損失譜,從中我們不僅能看到三原子分子的合成信號,還能測量出三原子分子在Feshbach共振附近的束縛能。

    谷愛凌的奪冠一跳,背后是無數苦練的日夜。一舉合成三原子分子,何嘗不是中國優秀青年們日夜努力的結果!而這必將在超冷分子制備領域開辟一個新的方向!

    結 語

    合成超冷三原子分子,不僅能為研究量子力學下三體問題提供平臺,另外,超冷分子的能級能被超高精度地測量,這為研究量子化學中的電子結構問題提供了重要的信息。下一步,研究人員還將努力提高超冷三原子分子的產生率和壽命,以制備密度高、溫度低的超冷三原子分子氣。從長遠來看,這一工作為超冷化學的量子模擬提供了一種大家長久期盼的重要實驗技術手段,將為量子模擬和超冷量子化學開辟出新的疆域。

    超冷量子化學研究,不僅能使我們對化學反應過程有更清晰的理解,從而給新材料、新藥物研發帶來新契機;另外,因其獨特的能級結構等性質,超冷分子還是實現量子計算和量子模擬的理想候選之一,在量子信息處理、量子精密測量等領域都有潛在應用。

    我們常見的化學反應是由大自然主導的,而在超冷量子化學中,人有了很大的主動性,科學家們成了化學反應這出“大戲”的導演。從對量子規律進行被動的觀測,然后對量子規律的宏觀體現進行應用,到直接對單個原子、分子等粒子的狀態進行主動制備、精確操縱和測量,并對粒子間的相互作用進行主動調控,從而利用量子規律認識和改造世界,這是過去幾十年里量子科技領域的一個主旋律,意味著人類認識和改造世界達到了新高度。

    感謝趙博、楊歡老師對科普文章寫作提供的指導和幫助。

    (王佳、白澤)

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