研究人员创造出高相空间密度的超冷三原子气体

近日，中国科学院中国科学技术大学潘建伟教授和赵波教授带领的研究团队利用绝热磁缔合创造了三原子超冷气体首次从23Na40K分子和40K原子的简并混合物中分离出具有高相空间密度的分子。这项工作发表在《科学》杂志上。

在复杂化学反应的模拟中使用高度可控的超冷分子可以对复杂系统进行全面研究。由于分子中振动和旋转能级的复杂性，超冷分子的直接冷却具有挑战性。

已经提出了一种将超冷原子相干地转化为超冷分子的方法。双原子分子受益于高相空间密度和低温，并且可以使用激光相干转移到基态，已经使用Feshbach共振产生。

在成功制造超冷双原子分子后，研究人员一直在讨论使用相干转换制造超冷三原子分子的可能性。2019年，中国科学技术大学团队观测到超冷23Na40K分子与40K原子之间的Feshbach共振。

在此基础上，中国科学技术大学和中科院化学研究所的研究人员利用射频脉冲完成了23个Na40K分子和40K原子混合物中超冷三原子分子的缔合。然而，由于三原子分子的寿命短且转换效率低，只能通过双原子分子和原子的损失获得缔合的证据。

为了直接检测三原子分子，研究人员制备了一种由23个Na40K基态分子和40K个原子组成的量子简并混合物。

他们通过23Na40K分子和40K原子之间的Feshbach共振逐渐增加磁场，首次创造了具有高相空间密度的超冷三原子分子气体，这使得它们能够绝热地转移23Na的散射状态40K分子和40K原子到三原子分子的束缚态。

此外，研究人员通过射频(rf)解离将三原子分子解离为自由分子和原子，获得了三原子分子的解离谱，从而实现了对三原子分子的直接检测。结果表明，所得三原子气体的相空间密度比其他方法制备的三原子分子高约10个数量级。

超冷三原子气体的产生为量子物理学中三体研究的模拟奠定了基础，高相空间密度使得三原子分子的玻色-爱因斯坦凝聚体的产生成为可能。