《量子三体》上映：超冷分子合成的又一重要进展
三体迷们有福了！万众粉丝翘首以盼的《三体》动画定档2022年12月3日播出。而在今天，12月2日，量子物理学家、量子化学家渴望已久、翘首以盼的《量子三体》先一步“上映”了！
中国科学技术大学潘建伟、赵博团队最近完成了一项重要突破，他们在国际上首次可控合成了三原子分子（即由三个原子组成的分子）的超冷气体，温度低至100 nK，即只比绝对零度高10-7度，分子的相空间密度比之前通过直接冷却得到的三原子分子气体高10个数量级。这项工作为量子三体问题的研究提供了平台，也给量子模拟和超冷化学开辟了新道路。研究论文今天发表在国际著名期刊Science上（论文链接）。
我们的世界是由原子构成的，小小的原子们无时无刻不在运动。正是量子世界这些数不胜数的“小精灵”的运动，以及它们彼此间的相互羁绊和联姻，我们的世界才有了分子、有了性质各异的物质，甚至有了生命、智慧以及文明。大自然就是如此美妙，在缤纷繁杂的现象和变化背后，是如此朴实而简洁的原由：原子们不断进行着的运动和相互作用。
于是，在我们放眼群山大海、旷野荒原之际，在我们感受到微风轻抚或烈日曝晒之时，是否也想更深入地洞察“造物主”的秘密呢：原子究竟是如何构成丰富的大千世界的？
原子、分子以及它们如何互动的故事，就是“化学”。
随着理解的不断深入以及技术的进步，化学经历了几个不同阶段。
（图片来自网络）
试管、烧杯、酒精灯见证了化学的早期面貌。20世纪初期量子力学的诞生，把化学带进崭新阶段。人们认识到组成原子分子的原子核和电子服从量子力学，化学反应可以用一个包含原子核、电子的运动、以及他们之间的库仑相互作用的多粒子薛定谔方程来进行描述。化学反应的实质是电子云的空间分布与变化及原子核的运动。化学有了坚实的理论基础，量子化学出现了。
20世纪下半叶，得益于计算机的发展，人们可以利用数值计算方法对化学反应进行研究，计算量子化学发展起来了。另一方面，新实验技术的出现，例如1980年代赫施巴赫和李远哲发展起来的分子束技术，使人们对分子的相互碰撞和反应等有了更深入的了解。理论和实验相互促进，两者共同大大推动了量子化学的进展。
（图片来自网络）
化学反应本质上是量子的，即便是我们初中所熟悉的一个简单化学反应，也是由量子力学描述的。但化学反应通常在高温下发生，在高温下分子的德布罗意波长非常短，这导致反应中的量子力学效应难以观测。
我们希望原子分子们能慢下来、再慢下来，让我们能把反应中的量子力学行为“看”得更清晰。我们希望能主动地、精细地操控原子分子，让它们按照我们设想的剧本相互碰撞、发生反应。这样，我们不仅能看到最终产物，还能洞悉中间过程。
可控超冷量子化学应运而生。
中国科大量子三体“拍摄现场”一隅
微观世界原子永不停息的热运动，在宏观上则表现为温度。现在的冬日，我们蜷缩着不想动弹，但对原子来说，这个温度却简直太高了，它们以高达每秒几百米的速率躁动着！
降低原子的运动速度就是降低它们的温度。过去几十年里，人们发展出了各种实验技术去冷却和囚禁这些躁动不安的“精灵们”。驯服它们，不让它们为所欲为！
安静下来的原子分子，逃脱了热带来的噪杂，把它们的量子特性更鲜明地呈现出来。我们从中窥见“造物”的法则，去不断发展和完善我们的原子分子理论。可见，可控超冷量子化学是量子化学的全新阶段。
如何得到超冷原子和超冷分子呢？
利用激光技术，可以实现光子和原子的动量交换，从而冷却原子。这就是激光冷却技术。原子的激光冷却技术已经很成熟，再结合磁光阱、蒸发制冷等手段，人们制备出了温度低、密度高的超冷原子气体。
能否更进一步实现分子的激光冷却呢？事情并不简单。这是因为，激光冷却是需要条件的：能级中要有“循环跃迁”，唯有如此，冷却才能持续进行，把温度不断降下来。而分子中由于振转能级的存在，通常不存在循环跃迁。目前，人们只在少数分子中发现了近似的循环跃迁。
在对分子直接进行冷却的道路上，经过很多努力和尝试，对多原子分子来说，目前世界上最好的结果是将CaOH分子冷却到了100μK，相空间密度约为10-12。
还有另一种道路，即从超冷原子开始，一生二、二生三，就这样一步步地去合成超冷分子。早在1980年代，科学家就利用光从冷原子气中合成出双原子分子，但这种方法得到的分子气密度低、温度也比较高。“山穷水尽疑无路，柳暗花明又一村”，在超冷原子中科学家们探索出了另一种技术——Feshbach共振技术，利用这种技术，科学家们终于制备出密度高、温度低的双原子分子气。所谓Feshbach共振，即是说：原子们经过散射会牵扯在一起，形成弱束缚分子，如果散射态和束缚态的能量一致，则会产生共振，这会大大增强两种状态间的耦合强度。而且，Feshbach共振可以通过外加磁场来调控，这就给了我们新的机会：利用磁场来将原子合成分子。
从“二”到“三”又是质的飞跃，三意味着多，意味着复杂。
三体问题是数学和物理学上一个人尽皆知的难题。天体力学中的经典三体问题已经让人头疼不已，它不能精确求解、存在混沌效应，所以《三体》小说中的“三体文明”才会历经百余次毁灭与重生，最终迫不得已逃离母星，拜访遥远的地球。而以烧脑著称的量子和以烧脑著称的三体“金风玉露一相逢,便难倒人间无数”。量子三体问题，真是——
三原子分子的性质如何，能否合成三原子分子，理论上无法给出可靠的预测。缺少理论的指引，迈向三原子分子，就犹如黑夜行走在树木杂生、暗流涌动的幽林深谷，仅能凭借朦胧的光、时隐时现的风来判断路在何方。
中国科大研究团队知难而上，在这一领域潜心深耕多年。众所周知，《三体》是个三部曲，而中国科大的量子三体也完成了NS顶刊（Nature, Science）的“三部曲”。
原子-分子碰撞中是否存在可观测的Feshbach共振？2019年，中国科大研究团队给出了肯定的答案，他们在国际上首次观测到了超低温下原子（40K）和双原子分子（23Na40K）的Feshbach共振。（推荐阅读：“超低温下测量原子间作用力，能否破解化学反应的奥秘？”）
Science，2019年
基于2019年工作，在Feshbach共振附近，研究团队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。射频合成三原子分子所导致的23Na40K分子损失谱，给出了三原子分子合成的间接证据。（推荐阅读：“量子三体：超冷量子化学取得新突破”）
Nature，2022年2月
仅仅不到一年的时间，量子三体的故事更进一步：首先制备出了简并的的原子-双原子分子混合气，这使得研究团队可以通过Feshbach共振磁缔合方法来将40K原子和23Na40K分子合成三原子分子。最终，得到了含有4000个23Na40K2分子的超冷分子气，温度低至100 nK——无论温度还是相空间密度，都远优于直接冷却的三原子分子的结果。
通过射频离解三原子分子，观测离解谱的行为，研究团队得到了合成三原子分子的直接、确切证据。
Science，2022年12月
超冷三原子分子气的成功制备是超冷分子和超冷化学领域的一个里程碑，也是一个全新的开始，它将给整个超冷量子领域带来新的机遇。例如，可以基于此去探究量子三体问题；它还有助于人们从根本上洞悉超冷反应的秘密；由于分子丰富而独特的能级结构，在量子信息处理、量子精密测量等领域也有潜在应用……
《三体》小说中，可以进行大规模星际航行的“三体文明”在地球人看来已经是高度文明了，但从更高的视野望去，它还只是处于文明的初级阶段，在其之上，还有歌者文明、 归零者等文明。超冷三原子分子这一“量子三体”也是前景辽阔的超冷量子化学的一个开始，有理由期待超冷化学领域不断发展，迈向更高的“文明等级”。
感谢赵博、杨欢、芮俊老师对科普文章写作的帮助。
（撰文：王佳）
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