中國科大潘建偉團隊：在超冷化學量子模擬領域取得重要進展

【成果簡介】

中國科學技術大學教授潘建偉及其同事趙博、陳宇翱等在超冷分子和超冷化學量子模擬研究領域取得新進展，他們首次在實驗上直接觀測到超低溫度下弱束縛分子與自由原子間發生的態態的化學反應，實現了可控態態反應動力學的探測，從而向基于超冷分子的超冷量子化學的研究邁進了重要一步。7月4日，這一重要研究成果以題為“Controlled state-to-state atom-exchange reaction in an ultracold atom–dimer mixture”發表在國際學術期刊 Nature?Physics 上?。

【圖文導讀】

圖1?Feshbach分子的結合能和反應中釋放的能量

a）通過射頻解離損耗譜測量AB和AC分子的結合能

b）釋放能量在AB + C→AC + B原子交換反應作為磁場的函數

圖2?原子產品的制備和檢測方案及觀察

a）AB分子通過Blackman rf脈沖與A+C混合物締合以制備AB+C混合物

b）分子解離和原子光譜

【研究內容】

量子計算和模擬具有強大的并行計算和模擬能力，不僅為經典計算機無法解決的大規模計算難題提供有效解決方案，也可有效揭示復雜物理系統的規律，為新能源開發、新材料設計等提供指導。對化學反應和材料進行建模是量子計算最先可能的應用之一。借助量子模擬，研究者可以在人工可控的環境中研究數百萬計的候選，大幅減少在真實材料中開展試驗而投入的時間和資金。如同諾貝爾物理學獎獲得者、麻省理工學院教授Frank?Wilczek在Physics?Today發表的專題報道“未來百年的物理學”中所指出的，量子模擬“將成為化學和材料科學的核心工具。”

可控化學反應動力學的一個重要方向是對弱束縛分子化學反應的研究，這一問題可以追溯到約40年前。早在1978年，化學家W.?Stwalley就曾指出弱束縛分子具有非同尋常的反應性質，它的反應會選擇性通過一個反應通道進行。但由于弱束縛分子常溫下不能存在，長期以來這一預言一直無法得到實驗檢驗。近年來，隨著超冷原子分子技術的發展，超低溫的弱束縛分子可以從接近絕對零度的原子氣中被制備出來，從而使得對其化學反應性質的實驗研究成為可能。

在接近絕對零度的溫度下，分子的德布羅意波長遠大于相互作用的尺寸，因此化學反應完全由量子力學所主導，諸如量子散射、量子統計等量子效應將顯著地改變化學反應的行為。超冷化學的研究為探索化學反應的機理和動力學提供了前所未有的量子態分辨率、能量分辨率和可調控性。近年來，超冷化學反應的研究取得了系列重要實驗進展，例如，2010年，美國科學院院士D.?Jin和葉軍的聯合實驗小組觀測到了超低溫下銣鉀基態分子之間的化學反應；奧地利因斯布魯克大學的R.Grimm小組報道了弱束縛銫分子發生的化學反應等。然而，這些實驗都只能測量反應物的損失，而無法對反應的產物進行觀測。迄今為止，超低溫下態態化學反應尚未被實驗實現。在該項研究成果中，中國科大的研究團隊首次成功觀測到了超低溫下弱束縛的分子和原子發生的可控態態的化學反應。在實驗中，他們巧妙地利用弱束縛分子的束縛能可以調節的特性，精確控制反應中釋放的能量，實現了對反應產物的囚禁。在此基礎上，他們利用精密的射頻場操作技術，成功探測了反應的分子產物和原子產物，并進一步研究了態態反應動力學。實驗結果證實了弱束縛分子之間化學反應通道的選擇性，驗證了W.?Stwalley約40年前的預言。

該實驗的重要意義在于，這是第一次在超冷化學反應中觀測到態態的化學反應，從而將化學反應動力學的實驗研究推進到量子水平。這一工作得到了Nature Physics審稿人的高度評價：“探測超冷化學反應的產物是目前該領域的重大研究目標，本工作向這個目標邁出了第一步”；“該工作是超冷化學領域的一個重要的里程碑，將引起化學和物理研究者的廣泛興趣”。

該研究工作得到了自然科學基金委、科技部、中科院等單位的支持。

原文鏈接：http://www.cas.cn/syky/201707/t20170706_4607718.shtml

文獻鏈接：Controlled state-to-state atom-exchange reaction in an ultracold atom–dimer mixture（Nature Physics,2017,DOI:10.1038/nphys4095）

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