武汉物数所Science：国际首次实现单个分子的相干合成！

纳米技术

2020-10-16

科学家从未停止对单原子和单分子的追逐。

20世纪60年代后期，美国物理学家Arthur Ashkin开启了激光操纵微粒的研究工作。1986年，Arthur Ashkin正式发明了光镊技术，开启了人类对单个原子、分子和生物细胞的序幕。受到这些工作的启发，朱棣文发展了一种用激光冷却俘获原子的方法。

1997年，朱棣文获得诺贝尔物理学奖。

2018年，被称为光镊之父的Arthur Ashkin也于96岁高龄获得诺贝尔物理学奖。

超冷单分子

超冷单分子在基础研究领域具有广泛的潜在应用。作为一种关键的量子资源，超冷分子比超冷原子拥有更丰富的内部能级，在超冷化学、高精度测试、量子模拟和量子计算等前沿领域备受关注。但是由于对复杂原子-分子结构的全面控制非常困难，形成相干的单原子有较大挑战。

20世纪后半期，物理学家就能利用激光使原子运动减速，从而将原子冷却到非常接近绝对零度的低温，以遵守量子力学定律。分子冷却，比原子冷却要更难，因为分子更重，更难以对激光起作用。虽然，科学家于2010年使用激光，成功把分子冷冻到接近绝对零度。

然而，即便两次获得诺贝尔物理学奖，光学捕获和操纵单个原子和单个分子，至今仍然存在许多重大关键难题悬而未决。

其中一个关键问题就在于，无法对多个原子形成分子的原子/分子系统进行所有自由度全面相干操控的精准控制。

中国科学院武汉物理与数学研究所詹明生等经过多年连续工作，构建了⁸⁵Rb、⁸⁷Rb异核原子体系，实现了对原子、原子结合生成分子的过程控制，逐步实现了对该体系中全部自由度的控制。

厚积薄发

中国科学院武汉物理与数学研究所詹明生团队长期致力于原子操纵领域的研，在⁸⁵Rb、⁸⁷Rb异核原子领域操纵的进行了一系列工作。

2015年，詹明生等首次报道了将⁸⁵Rb、⁸⁷Rb原子耦合囚禁的实验方法。

Interaction-induced decay of a heteronuclear two-atom system, Nature Commun 2015, 6, 7803 DOI: 10.1038/ncomms8803

2017年，詹明生等首次在异核原子⁸⁵Rb、⁸⁷Rb中实现了相干操控，实现了距离3.8 μm的量子纠缠现象。作者发现相对于同种原子的量子纠缠体系，异核原子量子纠缠现象有一定优势，比如可能受到的干扰更低等。

Entangling Two Individual Atoms of Different Isotopes via Rydberg Blockade, Phys. Rev. Lett. 2017, 119, 160502

2020年9月24日，在之前研究的基础上，詹明生、何晓东等人报道了一种新方法，利用微波将一对超冷异核原子相干合成为单个超冷分子，在国际上首次实现单个分子的相干合成。

他们将原子自旋通过强聚焦固有偏振梯度激光实现两个原子相对运动的耦合，从而将两个原子能够在MHz频率形成较弱的结合状态，这种相干作用展现了长寿命自旋-运动耦合（SMC, spin-motion coupling）Rabi振荡。此外，作者在控制分子的运动能级条件中，精确测定了形成分子的结合能。

系统搭建方法

以⁸⁵Rb、⁸⁷Rb两个原子作为研究对象，研究人员调控了其量子运动、考察原子结合为分子的过程。具体而言，作者通过使用微波（MW）将⁸⁵Rb(↑)、⁸⁷Rb(↑)状态的⁸⁵Rb(↑)自旋翻转得到⁸⁵Rb(↓)，得到⁸⁵Rb(↓) ⁸⁷Rb(↑)。

通过对比单独⁸⁵Rb(↑)、⁸⁵Rb(↑)和⁸⁷Rb(↑)相互作用体系自旋翻转过程变化，展示了自旋-运动耦合过程中的带边过渡（sideband transition）现象。在ω_Z=2π×27 kHz测试发现原子形成分子的过程中长寿命Rabi相干震荡（平均Rabi频率达到2π×3.95 kHz）。

图1. 操控⁸⁵Rb、⁸⁷Rb原子自旋翻转/成键构建分子

此外，作者还测试了原子结合为分子的结合能，散射和分子状态之间的差分光位移。

这项研究结果为超冷化学领域中态-态转变过程中的运动状态、少数个体体系中分子动力学操控。这种自旋-运动耦合方法（SMC）对于靠近平衡状态/较大散射距离的不同态之间的操控非常重要，展示了对原子-分子体系中全体自由度控制的方法。

图2. 原子形成分子过程以及Rabi振荡

结语

这项研究成功实现了超冷单分子的相干合成，单分子运动的操纵，以及结合能的精确测量，为全面控制原子-分子体系全自由度相干操控打开了新的大门。

然而，这项技术的可操作性是否稳定可靠？成功率有多高？是否可以拓展到其他元素的原子分子体系？依然有待进一步探索。

参考文献：

Xiaodong He et al. Coherently forming a single molecule in an optical trap, Science 2020.

DOI: 10.1126/science.aba7468

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