我校物理與天文學院羅樂教授研究團隊利用鋰-6超冷費米原子在世界上首次對量子三體碰撞參數做了溫度和相互作用依賴的精密測量，在實驗中揭示了量子三體過程中的范德華作用普遍性，相關重要成果近期以“Three-Body Recombination near a Narrow Feshbach Resonance in6Li”發表在《物理評論快報》PHYSICAL REVIEW LETTERS 120, 193402 (2018)。物理與天文學院研特聘副研究員李佳明博士是論文的第一作者，羅樂教授與理論合作者美國University of Toledo高波教授是共同通訊作者。
羅樂教授研究團隊超冷費米實驗裝置
三體相互作用是物理學中的一類基礎相互作用。從牛頓時代開始，三體相互作用便在物理學的發展中起到關鍵作用。因為三體問題不能嚴格求解，即使在經典力學中也只能根據實際情況采用各種近似解法。天文學中的三體問題啟發了科幻小說《三體》，小說發表后一時風靡全球。回到科學層面，偉大的數學家希爾伯特曾在他23個困難的數學問題的著名演講中，提出了希爾伯特準則：問題既能被簡明清楚的表達出來，然而問題的解決又是如此的困難以至于必須要有全新的思想方法才能夠實現。為了說明他的觀點，希爾伯特舉了N體問題的特例——三體問題作為例子。物理學進入到量子力學階段，三體問題更是成為研究量子多體系統的重要基石。量子三體問題對于研究超冷費米凝聚體、高溫超導、中子星、夸克膠子等離子體、以及高維黑洞等強相互作用量子多體系統的演化起到關鍵作用。
三體參數測量 超冷費米原子圖像
在原子分子物理層面，通過三體復合的分子是宇宙早期分子形成的最基本化學反應之一，也是了解分子進一步與其他原子或分子結合長成更大的分子——簇，最終形成介觀和宏觀物體的關鍵。作為一個反映量子多體問題根本困難的體系，三體重組的研究進展一直非常緩慢，其中基本問題比如直接（背景或非共振）和間接（連續配對或共振）過程的相對重要性，看起來像幾十年前一樣新鮮。與具有有效處理方法的緊束縛態問題相比，三體重組發生在量子三體體更高的能量上，分離重組閾值附的開放量子通道數量，對于除氦以外的大多數原子實際上是無限的，使標準的數值方法無法做出預言。
物理學家們寄希望于實驗物理數據能夠為量子三體物理研究帶來突破，超冷原子實驗為量子三體研究的突破提供了實驗契機。羅樂教授長期在國際一流的冷原子物理實驗室工作，他所屬研究團隊擁有豐富的儀器設備制造經驗。實驗團隊利用自己實驗室研制的全新一代全光冷卻費米原子系統把鋰6費米原子冷卻到超流轉變溫度之下，低于絕對溫度之上百萬分之一度。在這樣的實驗中，兩個鋰6原子間的兩體相互作用可以得到精確控制，通過Feshbach共振，原子三體重組產生了分子形成和原子數損失，從而利用冷原子提供的及其精密測量手段探索量子三體中的在范德華普遍性。在發表的論文中，通過實驗測量和從理論上分析三原子重組在543.3 高斯附近的6Li-6Li的窄波磁Feshbach共振，表明在有限的溫度下，三體重組主要由間接過程支配并在閾值以上的kBT內存在窄共振峰。實驗數據強有力的顯示連續的成對過程遵循一個普適行為并由范德華力決定。論文給出了三體重組速率常數描述的解析公式和對溫度的依賴性，其中三體重組通過連續的成對相互作用進行。基礎物理圖像不僅適用于窄s波共振，還適用于非零分波的共振，不僅適用于超低溫，而且適用于更高的溫度。
這個實驗結果驗證了量子三體在范德華勢作用下普遍的行為，發現該普遍行為遠遠超出零溫度范圍，從而揭示出雙體的量子缺陷理論可以通過多尺度方法進一步擴展到非零溫度范圍。這種廣義的三體作用的范德瓦爾普遍行與通用狀態方程的定義瓦爾斯長度尺度有密切聯系。通過將量子普遍行為區域擴展到零以外溫度和s波共振，純理論模型通過超冷原子物理實驗與真實的少體系統和真實化學反應建立了緊密聯系，邁出了量子三體物理研究的關鍵一步。
羅樂教授團隊目前正著手下一步非零分波的實驗工作，相關實驗及理論的發展將對物理和化學中量子三體問題的研究帶來激動人心的進展。相關項目得到了中山大學2017年學科建設、三大平臺建設、中國國家自然科學基金會11774436項目、美國國家自然科學基金會PHY-1607256項目資助。
論文鏈接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.120.193402
