我校物理與天文學(xué)院羅樂教授研究團(tuán)隊(duì)利用鋰-6超冷費(fèi)米原子在世界上首次對(duì)量子三體碰撞參數(shù)做了溫度和相互作用依賴的精密測(cè)量，在實(shí)驗(yàn)中揭示了量子三體過程中的范德華作用普遍性，相關(guān)重要成果近期以“Three-Body Recombination near a Narrow Feshbach Resonance in6Li”發(fā)表在《物理評(píng)論快報(bào)》PHYSICAL REVIEW LETTERS 120, 193402 (2018)。物理與天文學(xué)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(tuán)隊(duì)超冷費(fèi)米實(shí)驗(yàn)裝置
三體相互作用是物理學(xué)中的一類基礎(chǔ)相互作用。從牛頓時(shí)代開始，三體相互作用便在物理學(xué)的發(fā)展中起到關(guān)鍵作用。因?yàn)槿w問題不能嚴(yán)格求解，即使在經(jīng)典力學(xué)中也只能根據(jù)實(shí)際情況采用各種近似解法。天文學(xué)中的三體問題啟發(fā)了科幻小說《三體》，小說發(fā)表后一時(shí)風(fēng)靡全球。回到科學(xué)層面，偉大的數(shù)學(xué)家希爾伯特曾在他23個(gè)困難的數(shù)學(xué)問題的著名演講中，提出了希爾伯特準(zhǔn)則：?jiǎn)栴}既能被簡(jiǎn)明清楚的表達(dá)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?qū)崿F(xiàn)。為了說明他的觀點(diǎn)，希爾伯特舉了N體問題的特例——三體問題作為例子。物理學(xué)進(jìn)入到量子力學(xué)階段，三體問題更是成為研究量子多體系統(tǒng)的重要基石。量子三體問題對(duì)于研究超冷費(fèi)米凝聚體、高溫超導(dǎo)、中子星、夸克膠子等離子體、以及高維黑洞等強(qiáng)相互作用量子多體系統(tǒng)的演化起到關(guān)鍵作用。
三體參數(shù)測(cè)量 超冷費(fèi)米原子圖像
在原子分子物理層面，通過三體復(fù)合的分子是宇宙早期分子形成的最基本化學(xué)反應(yīng)之一，也是了解分子進(jìn)一步與其他原子或分子結(jié)合長成更大的分子——簇，最終形成介觀和宏觀物體的關(guān)鍵。作為一個(gè)反映量子多體問題根本困難的體系，三體重組的研究進(jìn)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(xù)配對(duì)或共振）過程的相對(duì)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(tài)問題相比，三體重組發(fā)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(shù)量，對(duì)于除氦以外的大多數(shù)原子實(shí)際上是無限的，使標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)值方法無法做出預(yù)言。
物理學(xué)家們寄希望于實(shí)驗(yàn)物理數(shù)據(jù)能夠?yàn)榱孔尤w物理研究帶來突破，超冷原子實(shí)驗(yàn)為量子三體研究的突破提供了實(shí)驗(yàn)契機(jī)。羅樂教授長期在國際一流的冷原子物理實(shí)驗(yàn)室工作，他所屬研究團(tuán)隊(duì)擁有豐富的儀器設(shè)備制造經(jīng)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)利用自己實(shí)驗(yàn)室研制的全新一代全光冷卻費(fèi)米原子系統(tǒng)把鋰6費(fèi)米原子冷卻到超流轉(zhuǎn)變溫度之下，低于絕對(duì)溫度之上百萬分之一度。在這樣的實(shí)驗(yàn)中，兩個(gè)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(chǎn)生了分子形成和原子數(shù)損失，從而利用冷原子提供的及其精密測(cè)量手段探索量子三體中的在范德華普遍性。在發(fā)表的論文中，通過實(shí)驗(yàn)測(cè)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(nèi)存在窄共振峰。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)強(qiáng)有力的顯示連續(xù)的成對(duì)過程遵循一個(gè)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(shù)描述的解析公式和對(duì)溫度的依賴性，其中三體重組通過連續(xù)的成對(duì)相互作用進(jìn)行。基礎(chǔ)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(gè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了量子三體在范德華勢(shì)作用下普遍的行為，發(fā)現(xiàn)該普遍行為遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(jìn)一步擴(kuò)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(tài)方程的定義瓦爾斯長度尺度有密切聯(lián)系。通過將量子普遍行為區(qū)域擴(kuò)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(shí)驗(yàn)與真實(shí)的少體系統(tǒng)和真實(shí)化學(xué)反應(yīng)建立了緊密聯(lián)系，邁出了量子三體物理研究的關(guān)鍵一步。
羅樂教授團(tuán)隊(duì)目前正著手下一步非零分波的實(shí)驗(yàn)工作，相關(guān)實(shí)驗(yàn)及理論的發(fā)展將對(duì)物理和化學(xué)中量子三體問題的研究帶來激動(dòng)人心的進(jìn)展。相關(guān)項(xiàng)目得到了中山大學(xué)2017年學(xué)科建設(shè)、三大平臺(tái)建設(shè)、中國國家自然科學(xué)基金會(huì)11774436項(xiàng)目、美國國家自然科學(xué)基金會(huì)PHY-1607256項(xiàng)目資助。
論文鏈接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.120.193402
