超冷分子有著比超冷原子更豐富的內部能級，具有廣泛地潛在應用，例如超冷化學、凝聚態(tài)體系的量子計算和量子模擬、檢驗基本物理學的精確測量、量子信息處理等諸多前沿科學研究。然而，由于分子復雜的能級結構以及分子間復雜的相互作用，在實驗上制備和操控單個超冷分子極具挑戰(zhàn)性。
2020年10月16日，《Science》以First Release形式在線發(fā)表了中國科學院精密測量科學與技術創(chuàng)新研究院詹明生、何曉東研究團隊在超冷分子領域的重大進展，他們首創(chuàng)了一種單分子相干合成的新方法，即原子自旋與相對運動波函數(shù)耦合（SMC）的新機制，在國際上首次實現(xiàn)單個超冷分子的相干合成！1985-1986年，美籍華裔科學家朱棣文教授和美國科學家William D. Phillips教授首次成功地以鐳射捕捉和冷卻中性原子（即超冷原子），此技術為原子物理學開啟了一個新的紀元。這項成就加上法國科學家Claude Cohen-Tannoudji 教授所作的理論研究，于1997年獲得了諾貝爾物理學獎。1995年，超冷原子氣體的研究實現(xiàn)了一個重大突破，科學家將具有玻色子性質的原子進一步冷卻，并觀察到原子玻色-愛因斯坦凝聚（Bose-Einstein Condensation），簡稱玻色凝聚。憑借這個成果，美國實驗天體物理聯(lián)合研究所（Joint Institute of Laboratory Astrophysics，簡稱JILA） 的 Eric A. Cornell教授、Carl E. Wieman教授與麻省理工學院的Wolfgang Ketterle 教授分享了 2001年的諾貝爾物理學獎。原子的玻色凝聚帶來了許多重要的實驗發(fā)現(xiàn)，例如世界上首個物質波放大器、物質波的孤立子（soliton）和渦流（vortex）以及在光晶格中的量子相變。從超冷原子氣體的研究中，科學家們提出了一個新的構想：是否也能對分子氣體做類似的量子控制？因為由分子組成的量子氣體將能對相位和諧（phase coherent）的化學反應有全新的貢獻，分子氣體也可能提供更高精確度的精密測量，并加深我們對費米系統(tǒng)中的Cooper配對現(xiàn)象及其超導或超流性質的了解。那么，該如何去產生分子的超冷氣體呢？鐳射冷卻的方法對于分子來說是無效的，因為鐳射冷卻的高效率是依賴原子簡單的能階結構和其能夠被連續(xù)激發(fā)的特性，這種特性允許原子透過連續(xù)散射數(shù)千個光子而減速。但對分子而言，復雜的分子振動與旋轉的能階結構，使得利用連續(xù)鐳射激發(fā)制冷幾乎是不可能的。2003年，科學家發(fā)現(xiàn)了一個產生超冷分子的新方法。利用調整原子間的相互作用，碰撞中的兩個原子可以直接整合為一個分子。由于原子和分子通常具有不同的磁矩，所以必須通過外加磁場將分子和原子的能量調到相同的值。如此操縱磁場而產生原子和分子間的耦合，便稱為費許巴赫共振（Feshbach resonance）。說得更具體點，就是費許巴赫共振連接原子散射態(tài)到具有極小束縛能的分子態(tài)，這些分子的大小通常在幾十到幾百波耳半徑（一波耳半徑等于0.05奈米）。2003年斯坦福大學朱棣文教授團隊首次提出并使用費許巴赫共振模式的三體重組過程，通過在費許巴赫共振附近，三體碰撞使其中兩個原子結合成一個穩(wěn)定的分子。藉由磁場的調控，大量的超冷銫分子便產生了。同一年，Innsbruck的R. Grimm教授團隊 和MIT的W. Ketterle教授團隊使用同種方法生成了超冷鋰分子。隨后，科學家們在氣相和光學晶格中通過Feshbach共振或光締合產生了各種類型的超冷雙原子分子，從而觀察到超冷化學并模擬了量子自旋模型。然而，遺憾的是，由于難以完全控制復雜的原子-分子系統(tǒng)，F(xiàn)eshbach共振或光締合技術均只能產生大量的超冷分子，無法實現(xiàn)單個超冷分子的合成以及操控。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，進而從少體原子合成單分子。此前，雖有來自美國哈佛大學的研究團隊演示了在光阱中利用光締合技術將一對異核原子合成單個雙原子分子，但由于受限于光締合過程中伴隨的自發(fā)輻射引起的強退相干效應，單個分子的相干合成仍然是一個巨大的挑戰(zhàn)。突破瓶頸！首次實現(xiàn)單個超冷分子的相干合成為了克服合成單分子過程中的退相干問題，中國科學院精密測量科學與技術創(chuàng)新研究院詹明生、何曉東研究團隊另辟蹊徑，首創(chuàng)了一種單分子的相干合成方法，即原子自旋與相對運動波函數(shù)耦合（SMC）的新機制。利用微波將光阱中一對超冷異核原子（85Rb和87Rb）相干合成單個超冷分子，在國際上首次實現(xiàn)單個分子的相干合成！1）選用微波而非激光合成分子，因為微波不對原子產生自發(fā)輻射等退相干效應；通過將原子自旋耦合到具有固有偏振梯度的強聚焦激光器中，將原子自旋耦合到它們的兩體相對運動，從而將兩個原子相干地結合成一個在MHz級的弱結合分子。2）在SMC機制支配下，光阱中原子之間的相對運動波函數(shù)偏離分子相互作用勢的中心，從而導致與弱束縛態(tài)波函數(shù)之間的重疊積分得到增強，也就是原子-分子間的微波躍遷概率得到增強，最終實現(xiàn)了處于囚禁勢基態(tài)的單個分子的相干合成。3）通過人為調整微波強度，實現(xiàn)了光阱中雙原子與單個分子之間長壽命的拉比振蕩，即實現(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。4）相比于通常的光締合方法，SMC方法避免了退相干缺陷，是一種純凈的分子態(tài)操控方法，具有優(yōu)越的相干性。此外，SMC方法還可用于無Feshbach共振的雙原子（如重要的堿金屬體系）合成單分子。這項工作標志著對原子之間核間距自由度的相干控制，開啟了原子-分子體系所有自由度全面相干操控的研究大門，為基元化學反應過程相干控制、量子少體束縛態(tài)的相干合成及其量子調控提供了可能性，具有潛在的重要的科學價值。Coherently forming a single molecule in an optical trap, Science 370, 331–335 (2020). DOI: 10.1126/science.aba7468https://science.sciencemag.org/content/370/6514/331
