小小的世界有大大的夢想——超冷分子化學團隊製備超冷三原子分子氣

妞妞是一個初中生，第一堂化學課，老師給他們展示了一個非常有趣的實驗——金屬鈉和水的反應。

妞妞回到家，爸爸告訴她，他的實驗室也在做鈉原子和鉀原子的化學反應實驗。

但是當妞妞來到爸爸實驗室的時候，她沒有看到燒杯、試管，只看到了很多小鏡子和鐳射器。

爸爸告訴妞妞，他們的實驗室叫做“超冷分子化學實驗室”。在超低溫度

（接近絕對零度）

下，他們讓鈉鉀分子和鉀原子發生反應，最終生成三原子分子。

化學反應是怎麼發生的？化學反應的性質為什麼是這樣的？化學反應是怎樣從量子層面過渡到經典世界的？要解開這個問題，要從更早的時候說起。

從古代起，人們就好奇物質的性質。中國用五行學說來描述世界萬物的形成和相互關係，古希臘人把水、氣、火、土當成世界萬物之源。

後來，人們試著將兩種或幾種物質放在一起，透過製造一些條件，希望它們發生反應併產生新的物質，並尋找其中的規律。

17世紀的科學家羅伯特·波義耳，第一個給出了化學元素的定義，提倡為認識事物的本質而研究化學。

現代化學之父安託萬-洛朗·拉瓦錫1773年透過實驗製備了氧氣

（那時他只知道這種氣體有助於燃燒，還能幫助呼吸）

，並於1778年認識並命名了氧氣，化學從定性走向了定量的轉變。

而1803年，英國化學家、物理學家約翰·道爾頓提出的原子學說，更是讓化學學科獲得了重大的進展。

道爾頓的原子學說主要觀念：

（1）化學元素由不可分的微粒——原子構成。

（2）同種元素的原子性質和質量都相同，不同元素原子的性質和質量各不相同。

（3）不同元素化合時，原子以簡單整數比結合。

1900年，量子力學誕生了，有別於經典世界的物理理論，量子力學是研究在微觀層面的粒子運動的科學。科學家發現，化學的本質是原子分子的相互作用，交換和動力學演化，最終研究都將在原子、分子層面進行。

如果我們能掌握微觀粒子們化學“反應”的本質，就相當於擁有了微觀粒子“活動手冊”，對於新材料和新藥物的合成與製備起到非常重要的指導作用。

狄拉克曾經說過：大部分物理和整個化學的數學理論所必需的基本物理定律已經完備了，而困難之處僅在於這些定律的精確應用會導致方程過於複雜而無法求解。因此，只要能求解描述原子核和電子的多粒子薛定諤方程，我們就能洞察化學的一切奧秘。

不過，願景非常美好，實施起來就困難多了。

事實上，在量子化學的世界裡，即使是三體問題，也無法精確求解。

量子三體問題沒有嚴格可解模型，所以只能數值求解。一方面，現在計算的精度不夠，也就是實驗得出的結果，經典計算機無力“驗算”；另一方面，粒子相互作用中的引數太多，解決了前面的“高山”，後面還有“群峰”。所以即使是最簡單的H3+離子，很多實驗測到的光譜理論也無法解釋。

但是，怎麼“計算”呢？三體這麼複雜的問題，沒有成熟的理論，經典計算機算不了，量子計算機研究剛剛起步，科學家是不是沒辦法了？

小孩子才擔心，科學家選擇擼起袖子直接幹——算不出來，我們就在實驗室中直接操控原子分子間的三體“化學反應”。

不過，想要操控原子、分子可不容易，為了讓它們乖乖聽話，科學家們各顯神通，最著名也最常見的就是鐳射冷卻、囚禁等技術。

所謂鐳射冷卻，就是利用鐳射技術，實現光子和原子的動量交換，從而冷卻原子。原子的鐳射冷卻技術已經很成熟，再結合磁光阱、蒸發製冷等手段，人們製備出了溫度低、密度高的超冷原子氣體。

這種“電子迴圈躍遷”降溫的方式對原子進行冷卻非常好用，但是對分子就不太好用了。分子的能級結構比原子複雜得多——振轉能級不存在迴圈躍遷。目前，人們只在少數分子中發現了近似的迴圈躍遷。

科學家嘗試對分子直接進行冷卻，不過這是非常艱難的。對多原子分子來說，目前世界上最好的結果是將CaOH分子冷卻到了100μK，但分子密度還很低

（太稀薄）

。

從20世紀80年代開始，科學家就試著用冷原子合成冷分子的方式給分子“降溫”，即利用光締合從冷原子氣中合成出雙原子分子。但這種方法得到的分子氣密度低、溫度也比較高。

於是科學家們又探索了另一種技術——Feshbach共振技術。Feshbach共振是指原子們經過散射會牽扯在一起，形成弱束縛分子，如果散射態和束縛態的能量一致，則會產生共振，這會大大增強散射態和束縛態的耦合強度。而且，Feshbach共振可以透過外加磁場來調控，這就給了我們新的機會：利用磁場來將原子合成分子。如今，Feshbach共振技術成為合成雙原子分子的最常用的技術手段。

既然原子的Feshbach共振可以用來合成雙原子分子，那如果有雙原子分子和原子的Feshbach共振，不就可以合成三原子分子了嗎？但問題是雙原子分子和原子間磁場可調的Feshbach共振存在嗎？2019年，中國科大潘建偉、趙博研究團隊在國際上首次觀測到了超低溫下鉀原子

（

K）

和鈉鉀分子

（

K）

的Feshbach共振。這意味著，利用Feshbach共振實現三原子分子合成是有可能實現的！

2022年初，在Feshbach共振附近，研究團隊透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。射頻合成三原子分子所導致的鈉鉀分子損失譜，給出了三原子分子合成的間接證據。這項工作於2022年2月9日發表在Nature雜誌上。

不到一年的時間，研究團隊透過努力，將溫度降低至100nK，製備出了溫度更低、密度更高的簡併的鈉鉀分子和鉀原子混合氣，這使得研究團隊可以透過Feshbach共振磁締合方法來將鈉鉀分子和鉀原子合成三原子分子。最終，得到了含有約4000個

分子的超冷分子氣。透過射頻解離三原子分子，觀測解離譜的行為，研究團隊得到了合成三原子分子的直接、確切證據。

這項工作於2022年12月2日發表在Science雜誌上。一年內接連登上Nature、Science雜誌，看起來是閃電般的成績，其實這項工作是十年努力的結果，從2012年開始搭建鈉鉀分子實驗室，2019年觀測到鈉鉀分子和鉀原子Feshbach共振，2022年初觀測到射頻合成三原子分子證據，直到今年年底製備超冷三原子分子氣體，是一步一步走的踏實工作。