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    超冷原子分子量子模拟在化学物理研究中取得实质性突破

    日期 2019-02-01   来源:数理科学部   作者:倪培根 陈刚  【 】   【打印】   【关闭

      在国家自然科学基金项目(批准号:11521063)等资助下,中国科学技术大学潘建伟、赵博研究组利用超冷原子分子量子模拟在化学物理研究中取得重大突破。通过对磁场的精确调控,首次在实验中观测到超低温度下基态分子与原子之间的散射共振,向基于超冷原子分子的超冷量子化学研究迈进了重要一步。相关成果以“Observation of Magnetically TunableFeshbach Resonances in Ultracold23Na40K + 40K Collisions”(在钠钾分子和钾原子超冷碰撞中观测到磁场可控的费希巴赫共振)为题,于2019年1月18日发表在Science(《科学》)上。文章链接:http://science.sciencemag.org/content/363/6424/261。

      量子计算和量子模拟具有强大的并行计算和模拟能力,不仅能为经典计算机无法解决的大规模计算难题提供有效解决方案,还可有效揭示复杂物理系统的规律,为新能源开发、新材料设计等提供指导。量子模拟可以用来解决经典数值计算方法无法有效求解的重要多体问题。在化学物理领域,通过量子力学计算原子分子相互作用势能面以及模拟粒子在这一势能面下分子碰撞的动力学就是这样一类重要科学问题。理论上计算原子分子的势能面需要求解多电子体系的薛定谔方程来得到电子系统的基态能量。由于电子之间存在强关联,其基态能量无法精确求解。因此理论量子化学发展各种方法来近似求解势能面,并在小质量少电子的分子体系取得了成功。但是对大质量多电子的分子体系,理论计算的势能面已经无法可靠地模拟分子碰撞中的动力学行为。

      通过构建针对特定问题的专用量子模拟系统,势能面的信息可以由实验测量原子分子的散射共振来获得。散射共振的测量结合理论建模可以准确的反推出势能面的全局信息,从而给出势能面最精准的刻画。分子的散射共振是典型的量子现象,只有在超低温度下才会显现出来。近年来,随着超冷原子分子技术的发展,完全可控的超冷基态分子可以从接近绝对零度的原子气中制备出来。但由于这种大质量多电子分子体系的散射共振无法在理论上进行预测,十余年来观测超冷分子的散射共振一直是该研究领域在实验上的重大挑战。

      中国科学技术大学潘建伟、赵博研究组首次成功观测到了超低温下钠钾基态分子和钾原子间的散射共振。在实验中,他们从温度为几百纳开的超冷钠和钾原子混合气出发,制备出处于不同超精细态的钠钾振转基态分子,并将之与处于不同内态的钾原子相混合。在此基础上,通过精密的调节磁场来精确地调控原子分子散射态和三体束缚态的能量差,成功的在分子损失谱上观测到了超低温下钠钾基态分子和钾原子间的一系列散射共振峰。通过对含有高达49个电子的钾-钠-钾三原子分子复杂体系势能面的超高精度测量,成功获取了势能面在短程部分的重要信息。

      这一工作得到了Science审稿人的高度评价:“这是一个非常重要的和令人振奋的工作,虽然超冷分子已经制备出来,却从没有分子散射共振被报道过”;“当前超冷化学研究的主要困难在于势能面短程部分的信息无法从以往的实验中获取。从这种意义上说,这一工作改变了超冷极性分子和超冷物理化学的游戏规则”;“这一工作是当前原子分子物理研究的亮点,具有非常重要的意义”。这项研究成果对当前量子化学的计算精度提出了挑战,同时为精确模拟量子化学中多电子问题提供了高度可控的强有力的研究工具。

    图. 超低温下观测磁场可调原子分子散射共振示意图




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