超低温度下基态23Na40K分子与40K原子之间碰撞性质的研究

Collisions involving molecules and atoms are highly quantum mechanical in ultracold temperature. Compared with ultracold atoms, ultracold molecules have complex internal states, such as vibrational and rotational states, which support many Feshbach resonances during collision processes and make the collision involving molecules very difficult to understand and manipulate. In theory, for ultracold collisions involving light molecules, the scattering resonances can be theoretically calculated. However, for the collisions involving heavy molecules, due to the existence of many Feshbach resonances, the theoretical calculation cannot reliably describe the collision process. In this project, we will focus on the Feshbach resonances between 23Na40K ground state molecules and 40K atoms. We will measure the distribution of Feshbach resonances and the product of collision. Furthermore, by employing molecule-atom Feshbach resonances, we will associate triatomic molecules.

超低温度下分子及原子的碰撞具有显著的量子效应。相对于原子之间的碰撞，分子内部具有更加复杂的电子跃迁、振动及转动能级，使得分子在碰撞过程中存在很多的Feshbach共振，从而导致分子的碰撞难以被理解和操控。目前理论上只能对小质量分子的碰撞和反应给出量子计算的结果，对于大质量的分子，由于散射过程中多个Feshbach共振的存在，理论计算已经无法可靠地描述分子的碰撞性质。本项目将围绕超低温度下钠钾基态分子和钾原子碰撞的Feshbach共振展开研究。我们将重点研究分子和原子之间Feshbach共振分布和散射碰撞后的产物，探测分子和原子的碰撞势能面；并探索利用分子和原子之间的Feshbach共振合成超低温度的三原子分子。

超低温度下分子的碰撞具有显著的量子力学效应，为研究量子散射共振、超冷化学提供了绝佳的条件。相对于原子之间的碰撞，分子内部能级结构更加地复杂，使得理论计算大质量分子的碰撞极其困难，分子碰撞过程的散射共振更是无法精确预测。尽管在实验上已经观测到分子和原子之间的Feshbach共振，但是如何理解、操控和利用Feshbach共振仍然是不清楚的。..在过去的三年中，本项目主要是基于实验观测到的钠钾基态分子和钾原子之间Feshbach共振基础上进行的进一步研究。研究的主要内容包括(1)测量更多的原子-分子 Feshbach共振，分析Feshbach共振的分布，从而理解三原子分子共振束缚态的性质; (2)利用Feshbach共振操控钠钾分子和钾原子之间碰撞，包括弹性碰撞和非弹性碰撞; (3)利用Feshbach共振合成钠钾钾三原子分子。..基于以上的研究内容，本项目取得一系列重要的研究成果。(1)扫描磁场观测了84个新的原子-分子Feshbach共振，并对其中的低磁场部分的共振分布和三原子分子束缚态性质进行了可能的解释。(2)测量分子原子的热化过程，共振操控原子-分子之间的弹性和非弹性碰撞过程。(3)利用射频将原子-分子散射态耦合至三原子分子束缚态，相干合成钠钾钾三原子分子，并测量了不同磁场下该三原子分子的束缚能。(4)制备钠钾基态分子和钾原子的简并混合气，其中钠钾分子的简并度约0.5TF(TF为费米温度)，钾原子简并度为0.2TF。(5)利用磁缔合技术，制备了高相空间密度的钠钾钾三原子分子系综。其中三原子分子温度约100nK，相空间密度约0.05，比之前通过直接冷却得到的三原子分子相空间密度高10个数量级。相关成果分别发表在Nature、 Science 以及PRL等国际知名杂志上。..以上的研究成果，使得实验更好的理解和操控原子-分子之间的碰撞和反应，为进一步利用超冷分子研究超冷化学以及基于超冷分子的量子模拟和精密测量打下了坚实的基础。尤其是超冷三原子分子合成和系综的制备，为实验研究超冷多原子分子开辟了新的道路。