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在成功制造超冷双原子分子气体后，下一个重大的实验挑战是制备和控制三原子分子的超冷气体。由于它们具有更多的自由度，这些气体为分子精密光谱学和量子模拟提供了许多令人兴奋的研究机会。

在此，中国科学技术大学潘建伟院士和赵博教授等基于原子-双原子分子费什巴赫共振的绝热磁缔合，报道了由基态²³Na⁴⁰K分子和⁴⁰K原子的混合物产生的由²³Na⁴⁰K₂三原子分子组成的超低温气体，且通过使用射频解离直接检测证实了这一点，获得了产生三原子分子的明确证据。

结果表明，大约4000个三原子分子被创造出来，其高峰密度比以前报道的最佳结果高10个数量级，代表了超冷化学和物理学的一个重要里程碑。相关研究成果“Creation of an ultracold gas of triatomic molecules from an atom-diatomic molecule mixture”为题发表在Science上。

超冷分子为研究量子水平的化学反应、凝聚态物理学中多体问题的量子模拟以及基本常数的精确测量提供了一个理想的平台。近年来，双原子分子超冷气体的制备和研究取得了显著进展，这些包括双原子分子气体的生产，具有可调相互作用的量子偶极分子气体的实现，原子-双原子分子费什巴赫共振的观察，以及超冷反应的反应产物和中间复合物的检测。

在双原子分子取得巨大成功之后，下一个实验挑战是制备和控制超冷的三原子分子气体，超冷的三原子分子将开辟许多研究机会。例如，三原子分子为研究量子力学三体问题提供了理想的平台。三原子分子具有更大的控制自由度，从而为量子模拟提供了一个以前未实现的旋钮。尽管有这些研究机会，但超冷三原子分子气体的制备和控制极其困难。

实际上，制备超冷分子通常有两种方法。一种方法是直接冷却，例如缓冲气体冷却、光电冷却或激光冷却。对于多原子分子，据报道，CaOH分子被激光冷却并捕获在温度为~100μK，峰相空间密度为~10^-12。

另一种方法是从超冷原子气体中形成分子。在过去的二十年中，通过磁缔合和光缔合创造了各种超冷双原子分子，超冷缔合的优点是分子可以继承原子气体的低温和高密度，因此分子气体可以具有较高的相空间密度。随着双原子分子形成的成功，一些研究人员已经开始考虑从超冷原子-双原子分子混合物中创建三原子分子的可行性，但三原子分子的复杂性使得定量分析极其困难。

在此，作者报道了由²³Na⁴⁰K基态分子和⁴⁰K原子的混合物中产生的由弱结合的²³Na⁴⁰K₂三原子分子组成的超低温气体。图1说明了本文工作中使用的三原子分子的创建和检测方法。

同时，三原子分子是通过²³Na⁴⁰K基态分子和⁴⁰K原子之间的费什巴赫共振增加磁场，通过绝热磁缔合产生。通过使用射频解离直接检测三原子分子，获得了产生三原子分子的明确证据。在~100nK的温度下，可以产生约4000个三原子分子，其峰值密度为~3×10¹¹cm^-3。超冷三原子分子气体的峰相空间密度为~0.05，比激光冷却的三原子分子大~10个数量级。

本文的工作可以在很大程度上提高对复杂的原子分子费什巴赫共振的理解，正常情况下由于态的高密度而难以定量描述。此外，本文的工作也可能为制备三原子分子的玻色-爱因斯坦凝聚态和生产基态超冷三原子分子开辟可能性。

图1. 三原子分子的磁缔合和射频离解的说明

图2. 三原子分子的结合能随磁场的函数

图3. 在共振过程中，磁场增强引起的²³Na⁴⁰K分子的损失

图4. 三原子分子的射频解离谱

Huan Yang†, Jin Cao†, Zhen Su, Jun Rui, Bo Zhao*, Jian-Wei Pan*, Creation of an ultracold gas of triatomic molecules from an atom-diatomic molecule mixture, 2022, Science, https://www.science.org/doi/10.1126/science.ade6307

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