近日，中國科技大學(xué)潘建偉教授和趙博教授帶領(lǐng)的團(tuán)隊首次成功觀測到超低溫下原子與分子三體系統(tǒng)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(zhì)，解決了超冷量子化學(xué)研究領(lǐng)域10余年來懸而未決的一個難題，相關(guān)成果發(fā)表于國際學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》。
宇宙中的所有原子、分子都在不停運(yùn)動，它們?nèi)绾芜\(yùn)動、如何碰撞，是物理學(xué)界一直想要理解的重要規(guī)律。“通過慢速拍攝技術(shù)，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(xì)節(jié)，科學(xué)家就可以從量子層面理解化學(xué)反應(yīng)的微觀規(guī)律，有望借此了解原子和分子的終極運(yùn)動規(guī)律。”潘建偉說，將拍攝“樣片”與理論計算相結(jié)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(xué)模擬出原子、分子世界真實(shí)的運(yùn)轉(zhuǎn)情況。”
超低溫狀態(tài)下的雙原子分子已經(jīng)被世界上多個實(shí)驗(yàn)室制備出來，但多原子分子體系復(fù)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(lǐng)域在實(shí)驗(yàn)上的重大挑戰(zhàn)。趙博介紹，分子這種體積大、質(zhì)量重的粒子，只有在極低溫度情況下才會表現(xiàn)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(xué)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(jié)構(gòu)和運(yùn)動。
潘建偉、趙博研究團(tuán)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(xué)溫度，“1開”相當(dāng)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(tài)中的不同超精細(xì)能級狀態(tài)。在這個鉀—鈉—鉀三體系統(tǒng)中，他們利用磁場調(diào)節(jié)的精密調(diào)控尋找碰撞共振，最終“拍攝”到11個共振。
研究團(tuán)隊表示，下一步會測量更多共振，并希望與理論學(xué)家合作，找出準(zhǔn)確預(yù)測模型，以理解和預(yù)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(biāo)。”潘建偉說。