物理与天文学院罗乐教授研究团队利用超冷原子实验在量子三体作用研究中取得重要进展

来源：中山大学

我校物理与天文学院罗乐教授研究团队利用锂-6超冷费米原子在世界上首次对量子三体碰撞参数做了温度和相互作用依赖的精密测量，在实验中揭示了量子三体过程中的范德华作用普遍性，相关重要成果近期以“Three-Body Recombination near a Narrow Feshbach Resonance in6Li”发表在《物理评论快报》PHYSICAL REVIEW LETTERS 120, 193402 (2018)。物理与天文学院研特聘副研究员李佳明博士是论文的第一作者，罗乐教授与理论合作者美国University of Toledo高波教授是共同通讯作者。

罗乐教授研究团队超冷费米实验装置

        三体相互作用是物理学中的一类基础相互作用。从牛顿时代开始，三体相互作用便在物理学的发展中起到关键作用。因为三体问题不能严格求解，即使在经典力学中也只能根据实际情况采用各种近似解法。天文学中的三体问题启发了科幻小说《三体》，小说发表后一时风靡全球。回到科学层面，伟大的数学家希尔伯特曾在他23个困难的数学问题的著名演讲中，提出了希尔伯特准则：问题既能被简明清楚的表达出来，然而问题的解决又是如此的困难以至于必须要有全新的思想方法才能够实现。为了说明他的观点，希尔伯特举了N体问题的特例——三体问题作为例子。物理学进入到量子力学阶段，三体问题更是成为研究量子多体系统的重要基石。量子三体问题对于研究超冷费米凝聚体、高温超导、中子星、夸克胶子等离子体、以及高维黑洞等强相互作用量子多体系统的演化起到关键作用。

                    三体参数测量                                                                  超冷费米原子图像

         在原子分子物理层面，通过三体复合的分子是宇宙早期分子形成的最基本化学反应之一，也是了解分子进一步与其他原子或分子结合长成更大的分子——簇，最终形成介观和宏观物体的关键。作为一个反映量子多体问题根本困难的体系，三体重组的研究进展一直非常缓慢，其中基本问题比如直接（背景或非共振）和间接（连续配对或共振）过程的相对重要性，看起来像几十年前一样新鲜。与具有有效处理方法的紧束缚态问题相比，三体重组发生在量子三体体更高的能量上，分离重组阈值附的开放量子通道数量，对于除氦以外的大多数原子实际上是无限的，使标准的数值方法无法做出预言。

        物理学家们寄希望于实验物理数据能够为量子三体物理研究带来突破，超冷原子实验为量子三体研究的突破提供了实验契机。罗乐教授长期在国际一流的冷原子物理实验室工作，他所属研究团队拥有丰富的仪器设备制造经验。实验团队利用自己实验室研制的全新一代全光冷却费米原子系统把锂6费米原子冷却到超流转变温度之下，低于绝对温度之上百万分之一度。在这样的实验中，两个锂6原子间的两体相互作用可以得到精确控制，通过Feshbach共振，原子三体重组产生了分子形成和原子数损失，从而利用冷原子提供的及其精密测量手段探索量子三体中的在范德华普遍性。在发表的论文中，通过实验测量和从理论上分析三原子重组在543.3 高斯附近的6Li-6Li的窄波磁Feshbach共振，表明在有限的温度下，三体重组主要由间接过程支配并在阈值以上的kBT内存在窄共振峰。实验数据强有力的显示连续的成对过程遵循一个普适行为并由范德华力决定。论文给出了三体重组速率常数描述的解析公式和对温度的依赖性，其中三体重组通过连续的成对相互作用进行。基础物理图像不仅适用于窄s波共振，还适用于非零分波的共振，不仅适用于超低温，而且适用于更高的温度。

        这个实验结果验证了量子三体在范德华势作用下普遍的行为，发现该普遍行为远远超出零温度范围，从而揭示出双体的量子缺陷理论可以通过多尺度方法进一步扩展到非零温度范围。这种广义的三体作用的范德瓦尔普遍行与通用状态方程的定义瓦尔斯长度尺度有密切联系。通过将量子普遍行为区域扩展到零以外温度和s波共振，纯理论模型通过超冷原子物理实验与真实的少体系统和真实化学反应建立了紧密联系，迈出了量子三体物理研究的关键一步。

        罗乐教授团队目前正着手下一步非零分波的实验工作，相关实验及理论的发展将对物理和化学中量子三体问题的研究带来激动人心的进展。相关项目得到了中山大学2017年学科建设、三大平台建设、中国国家自然科学基金会11774436项目、美国国家自然科学基金会PHY-1607256项目资助。

        论文链接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.120.193402