中國科學院精密測量科學與技術創新研究院研究員詹明生、副研究員何曉東等帶領的研究團隊，與維也納工業大學、北京計算科學研究中心、清華大學、上海交通大學、巴黎薩克雷大學等的科研人員合作，在實驗室中利用微波將光阱中一對超冷異核原子相干合成單個超冷分子，在國際上首次實現單個分子的相干合成。
 

　　操控原子-分子體系的所有自由度是量子體系調控的夢想與挑戰。從激光冷卻原子到超冷原子再到原子量子計算，對原子體系量子態的操控達到精密程度。然而，從原子相干地生成分子，從而實現原子-分子間的相干轉化，面臨較多挑戰。此外，冷分子有比冷原子更豐富的內部能級，因而被視為一種重要的量子資源，可被用于超冷化學、凝聚態體系的量子模擬、檢驗基本物理學的精確測量、量子信息處理等前沿科學研究。為充分發揮超冷分子體系的優勢，科研人員需要具備對單個分子完全操控的能力。然而，由于分子復雜的能級結構及分子間復雜的相互作用，在實驗上制備和操控單個冷分子具有挑戰性。
 

　　通向單分子操控的有效途徑之一是基于光阱中完全操控單原子的能力，進而從少體原子合成單分子。此前，哈佛大學的研究組演示在光阱中利用光締合技術將一對異核原子合成單個雙原子分子，然而，由于受限于光締合過程中伴隨的自發輻射引起的強的退相干效應，使無法實現單個分子的相干合成。
 

　　為了克服合成單分子過程中的退相干問題，詹明生團隊首創單分子相干合成方法，即原子自旋與相對運動波函數耦合(Spin-Motion Coupling，SMC)的新機制。研究人員利用微波而非激光合成分子，相比于后者，微波不對原子產生自發輻射等退相干效應；在SMC機制支配下，光阱中的原子間的相對運動波函數偏離分子相互作用勢的中心，導致與弱束縛態波函數間的重疊積分得到增強，即原子-分子間的微波躍遷的概率得到增強，實現處于囚禁勢基態的單個分子(85Rb87Rb)的相干合成。通過人為調整微波強度，實現光阱中雙原子與單個分子間長壽命的拉比振蕩，即實現兩原子量子體系中原子態與分子態的可控相干疊加。SMC方法與通常的Feshbach共振和光締合不同，可用于無Feshbach共振的雙原子(如重要的堿土金屬系統)合成單分子。相比于通常的光締合方法，SMC方法避免光締合過程存在的退相干缺陷，是一種純凈的分子態操控方法，具有優越的相干性。
 

　　該研究標志著對原子間核間距自由度的相干控制，開啟了原子-分子體系所有自由度全面相干操控的研究。為基元化學反應過程相干控制、量子少體束縛態的相干合成及其量子調控提供可能性。以相干的方式操控量子少體束縛態系統的內外態將有利于研究化學物理、核物理及粒子物理中的少體問題，具有科學價值。
 

　　近期，相關研究成果以First Release方式，在線發表在《科學》上，何曉東、詹明生為論文的通訊作者，何曉東與博士生王坤鵬為論文的共同第一作者。研究工作得到科技部重點研發計劃、國家自然科學基金委、中科院戰略性先導科技專項、中科院青年創新促進會的資助。