由中科院精密測(cè)量研究院研究員詹明生、副研究員何曉東等科研人員組成的研究團(tuán)隊(duì)，在實(shí)驗(yàn)室中利用微波將光阱中一對(duì)超冷異核原子相干合成單個(gè)超冷分子，在國(guó)際上首次實(shí)現(xiàn)單個(gè)分子的相干合成。研究工作由該研究團(tuán)隊(duì)聯(lián)合包括維也納工業(yè)大學(xué)、北京計(jì)算科學(xué)研究中心、清華大學(xué)、上海交通大學(xué)、巴黎薩克雷大學(xué)等國(guó)內(nèi)外機(jī)構(gòu)的研究人員共同完成。9月25日，該重要研究進(jìn)展發(fā)表在國(guó)際著名學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》雜志上。

       操控原子-分子體系的所有自由度，一直以來(lái)是量子體系調(diào)控的孜孜追求，是夢(mèng)想也是挑戰(zhàn)。從激光冷卻原子到超冷原子再到原子量子計(jì)算，對(duì)原子體系量子態(tài)的操控達(dá)到了非常精密的程度。然而，從原子相干地生成分子從而實(shí)現(xiàn)原子-分子之間的相干轉(zhuǎn)化，這看似一步之遙，實(shí)則面臨眾多挑戰(zhàn)。

       另一方面，冷分子有著比冷原子更豐富的內(nèi)部能級(jí)，因而被視為一種非常重要的量子資源，可被用于超冷化學(xué)、凝聚態(tài)體系的量子模擬、檢驗(yàn)基本物理學(xué)的精確測(cè)量、量子信息處理等諸多前沿科學(xué)研究中。為了充分發(fā)揮超冷分子體系的優(yōu)勢(shì)，人們需要具備對(duì)單個(gè)分子的完全操控的能力。然而，同樣由于分子復(fù)雜的能級(jí)結(jié)構(gòu)以及分子間復(fù)雜的相互作用，在實(shí)驗(yàn)上制備和操控單個(gè)冷分子極具挑戰(zhàn)性。

       通向單分子操控的有效途徑之一是基于光阱中完全操控單原子的能力，進(jìn)而從少體原子合成單分子（如圖1）。此前雖有來(lái)自美國(guó)哈佛大學(xué)的研究組演示了在光阱中利用光締合技術(shù)將一對(duì)異核原子合成單個(gè)雙原子分子，但由于受限于光締合過(guò)程中伴隨的自發(fā)輻射所引起的強(qiáng)的退相干效應(yīng)，使得無(wú)法實(shí)現(xiàn)單個(gè)分子的相干合成。

圖1.在光阱中將兩個(gè)原子相干合成一個(gè)分子，同時(shí)實(shí)現(xiàn)兩原子量子體系中原子態(tài)與分子態(tài)的可控相干疊加

       為了克服合成單分子過(guò)程中的退相干問(wèn)題，詹明生團(tuán)隊(duì)另辟蹊徑，首創(chuàng)了一種單分子的相干合成的方法，即所謂的原子自旋與相對(duì)運(yùn)動(dòng)波函數(shù)耦合（Spin - Motion Coupling，縮寫(xiě)為SMC）的新機(jī)制。首先，他們選用微波而非激光合成分子，相比后者，微波不對(duì)原子產(chǎn)生自發(fā)輻射等退相干效應(yīng)；其次，在SMC機(jī)制支配下，光阱中的原子之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)波函數(shù)偏離分子相互作用勢(shì)的中心，從而導(dǎo)致與弱束縛態(tài)波函數(shù)之間的重疊積分得到增強(qiáng)，也就是原子-分子間的微波躍遷的概率得到增強(qiáng)，最終實(shí)現(xiàn)了處于囚禁勢(shì)基態(tài)的單個(gè)分子（85Rb87Rb）的相干合成。同時(shí)他們通過(guò)人為調(diào)整微波強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)了光阱中雙原子與單個(gè)分子之間長(zhǎng)壽命的拉比振蕩，即實(shí)現(xiàn)了兩原子量子體系中原子態(tài)與分子態(tài)的可控相干疊加（如圖2）。

圖2：原子-分子之間的相干拉比振蕩

       SMC方法與通常的Feshbach共振和光締合不同，可用于無(wú)Feshbach共振的雙原子（如重要的堿土金屬系統(tǒng)）合成單分子；同時(shí)相比于通常的光締合方法，該方法避免了光締合過(guò)程存在的退相干缺陷，是一種純凈的分子態(tài)操控方法，具有優(yōu)越的相干性。

       這項(xiàng)工作標(biāo)志著對(duì)原子之間核間距自由度的相干控制，開(kāi)啟了原子-分子體系所有自由度全面相干操控的研究大門(mén)。為基元化學(xué)反應(yīng)過(guò)程相干控制、量子少體束縛態(tài)的相干合成及其量子調(diào)控提供了可能性。以相干的方式操控量子少體束縛態(tài)系統(tǒng)的內(nèi)外態(tài)將對(duì)化學(xué)物理、核物理以及粒子物理中的少體問(wèn)題的研究發(fā)揮獨(dú)特的促進(jìn)作用，具有潛在的重要的科學(xué)價(jià)值。

      《科學(xué)》雜志通過(guò)First Release方式在線發(fā)表了該重要研究進(jìn)展。何曉東、詹明生為通訊作者。何曉東與博士生王坤鵬為文章的共同第一作者。該研究得到了科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金委、中科院先導(dǎo)專項(xiàng)和青促會(huì)的資助。

       論文連接 https://science.sciencemag.org/content/early/2020/09/23/science.aba7468

新聞鏈接：http://www.apm.cas.cn/ttxw/202010/t20201009_5714230.html

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