特别说明：本文由学研汇技术中心原创撰写，旨在分享相关科研知识。因学识有限，难免有所疏漏和错误，请读者批判性阅读，也恳请大方之家批评指正。研究背景
超冷分子为在量子水平上研究化学反应、凝聚态物理中多体问题的量子模拟以及基本常数的精密测量提供了理想的平台。近年来，双原子分子超冷气体的制备和研究取得了显著的成功。其中包括量子简并双原子分子气体的产生、具有可调相互作用的量子偶极分子气体的实现、原子-双原子分子Feshbach共振的观测以及超冷反应的反应产物和中间复合物的检测。
关键问题
1、制备和控制超冷三原子分子气体将是迫在眉睫的挑战超冷三原子分子将提供了一个研究量子力学三体的理想平台，涉及三原子分子的碰撞提供了对四体、五体和六体势能面的灵敏探测，但超冷三原子分子气体的制备和控制是极其困难的。直接冷却和从超冷原子气体中形成分子是制备超冷分子的常用方法，随着双原子分子形成的成功，已经开始考虑从超冷原子-双原子分子混合物中产生三原子分子的可行性，然而，三原子分子的复杂性使得定量分析极其困难。3、三原子分子的直接探测和三原子分子超冷气体的制备仍然难以捉摸虽然rf损失谱为三原子分子的存在提供了间接证据，并可用于测量结合能，但三原子分子的直接探测和三原子分子超冷气体的制备仍然难以捉摸。
新思路
有鉴于此，中科大潘建伟团队等人报道了从基态钠-23–钾-40(23Na40K)分子和钾-40 (40K)原子的混合物中产生23Na40K2三原子分子的超冷气体。该团队曾于2022年2月10日在Nature上发表文章，报道了在超冷原子分子混合气中，首次合成三原子分子。三原子分子是通过原子-双原子分子Feshbach共振的绝热磁缔合产生的。通过使用射频解离直接检测三原子分子，获得了创建三原子分子的明确证据。可以产生大约4000个高峰相空间密度为0.05的三原子分子。超冷三原子分子可以作为探测三体势能面的发射台，并可用于制备量子简并三原子分子气体。通过23Na40K分子和40K原子之间的Feshbach共振通过绝热磁缔合产生了三原子分子，并通过rf损耗谱测量三原子分子的结合能证明Feshbach共振是开放通道主导的。作者研究了三原子分子的绝热磁缔合，在原子-分子Feshbach共振附近进行磁关联，通过制备量子简并原子分子混合物和选择开放通道主导的Feshbach共振来形成三原子分子解决了磁缔合的难题。3、检测了23Na40K分子损耗，证实了三原子分子的形成通过监测23Na40K分子在跨越共振的磁场中的损耗推断出三原子分子的形成。通过射频场将三原子分子分解成自由的双原子分子和原子实现了直接探测三原子分子。通过使用射频离解直接检测三原子分子，获得了创建三原子分子的明确证据。在大约100 nK的温度下，可以产生大约4000个三原子分子，峰值密度大约为3×1011 cm3。2、将三原子分子的峰值相空间密度提高了10个数量级本工作获得的超冷三原子分子气体的峰值相空间密度约为0.05，比激光冷却的三原子分子的峰值相空间密度大10个数量级。3、极大地提高了对复杂的原子-分子Feshbach共振的理解本工作可以极大地提高对复杂的原子-分子Feshbach共振的理解，这种共振由于高的态密度而难以定量描述，也可能为制备三原子分子的玻色-爱因斯坦凝聚体和产生基态超冷三原子分子提供可能性。
技术细节
三原子分子是通过23Na40K分子和40K原子之间的Feshbach共振通过绝热磁缔合产生的。首先在大约100 nK的温度下制备了23Na原子的近似纯玻色-爱因斯坦凝聚体和40K原子的深度简并费米气体的混合物。在77.6 G的磁场下，基态23Na40K分子通过磁缔合和受激拉曼绝热通道产生。除去23Na原子后，得到了23Na40K分子和40K原子的超冷混合物。作者通过rf损耗谱测量三原子分子的结合能来表征Feshbach共振，结果表明该共振是开放通道主导的。作者进一步研究了三原子分子的绝热磁缔合。为了在原子-分子Feshbach共振附近进行磁关联，需要绝热地将磁场从共振上方倾斜到三原子分子侧。在这个过程中，原子-双原子分子对可以相干地转化为三原子分子。在目前的工作中，通过制备量子简并原子分子混合物和选择开放通道主导的Feshbach共振来形成三原子分子解决了磁缔合转换效率严重依赖于原子-双原子分子混合物的相空间密度、三原子分子的寿命是未知的等问题。然而，如果磁场扫描太快，分子就不能有效地形成。然而，还不清楚这些进展是否足以让磁协发挥作用。通过监测23Na40K分子在跨越共振的磁场中的损耗来寻找可能的形成信号。在制备了77.6 G的23Na40K分子和40K原子的混合物后，迅速将磁场改变到55 G，然后以大约5 G/ms的速度将磁场从55G向下倾斜到45 G。在将磁场倾斜穿过共振后，观察到23Na40K分子的数量急剧减少，约73%的23Na40K分子丢失。对于如此高的斜坡速度，23Na40K分子的大部分损失不能完全由23Na40K分子和40K原子之间的非弹性碰撞引起。以同样的速度提升磁场,只观察到约40%的分子丢失。从向下和向上斜坡之间的分数损失的差异，推断向下斜坡的额外损失可能是三原子分子形成的结果。然而，不能排除某些未知机制导致这些损失的可能性.图 在共振中倾斜磁场引起的23Na40K分子的损失通过将三原子分子分解成自由的双原子分子和原子来直接探测三原子分子，可以获得产生三原子分子的明确证据。离解的主要挑战是三原子分子的寿命短，这主要受到预离解、与原子和双原子分子的非弹性碰撞以及陷阱激光的光激发等损失机制的限制。作者通过使用射频场来离解三原子分子，获得了三原子分子的直接证据。
展望
总之，作者通过绝热磁缔合从23Na40K分子和40K原子的混合物中产生了23Na40K2三原子分子的超冷气体。陷阱激光对三原子分子的形成有强烈的有害影响。因此探索未来能否通过改变激光的波长来解决光激发问题十分重要。光激发问题也可以通过将三原子分子转移到磁阱中来解决，因为三原子分子处于弱寻场状态。能被射频场离解的三原子分子是原子-分子散射阈值附近的弱束缚分子。通过简单地将磁场倾斜到零值，它们可以转移到处于高振动状态的封闭通道分子，其中结合能估计为100 MHz的数量级。超冷三原子分子气体的产生开启了许多研究的可能性，进一步的改进可能会产生量子简并气体或三原子分子的玻色-爱因斯坦凝聚体。HUAN YANG, et al. Creation of an ultracold gas of triatomic molecules from an atom–diatomic molecule mixture. Science, 2022, 378(6623):1009-1013.DOI: 10.1126/science.ade6307https://www.science.org/doi/10.1126/science.ade6307
