超冷状态下离子和原子碰撞还能量子控制？咋做到的？

大家好！在微观的原子世界里，有着许多奇妙的现象等待我们去探索。今天，咱们就一起来了解离子-原子碰撞，看看科学家们是如何在超冷状态下对其进行量子控制的——《Quantum control of ion-atom collisions beyond the ultracold regime》发表于《SCIENCE ADVANCES》。这听起来是不是既高端又神秘？

*本文只做阅读笔记分享*

一、研究背景：超冷世界里的量子碰撞难题

我们都知道，温度越低，物质的运动就越缓慢。当物质接近绝对零度的时候，分子间的相互作用就变得更容易控制。在超冷的温度下，两体碰撞主要是由一种叫做s波的碰撞主导，就好像大家都规规矩矩地按照一种模式运动。这时候，科学家们可以利用一种叫做散射共振的现象来调节碰撞的速率。

不过，对于大多数离子-原子系统来说，要达到这种超冷的状态可太难了。而且，在离子-原子系统里，由于它们相互作用的特殊性质，s波散射区域需要更低的温度，比1μK还要低得多。同时，射频离子陷阱的振荡电场还会在碰撞过程中给离子“加热”，阻止离子-原子对进入超冷状态。

另外，当碰撞能量较高时，碰撞对的散射状态变得很复杂，是许多不同部分波贡献的叠加。混乱的节奏让量子效应，比如共振和干涉，很难被观察到。所以，以前大家都认为，要观察离子-原子碰撞中的量子散射效应，必须要达到超冷状态，这就像是一道难以跨越的门槛。

二、实验结果：量子世界的奇妙发现

（一）量子干涉效应：微观世界的和谐舞步

在Sr+ + Rb的碰撞过程中，有两种重要的机制在起作用。一个是自旋交换，它能让离子和原子之间交换自旋，同时保持它们的总自旋投影不变；另一个是自旋弛豫，它可以让角动量在自旋和转动自由度之间传递。

自旋交换的效果是由单重态和三重态势能上的散射干涉决定的。这里有一个有趣的现象，叫做部分波相位锁定效应。让单重态-三重态的相位差在很宽的部分波和能量范围内都保持不变。虽然每个部分波的相位会随着能量变化，但这个相位差不变，所以干涉效应就能在自旋交换的过程中一直存在，即使在较高的温度下也能被观察到。

为了研究这个现象，科学家们做了很多计算。他们用Molpro软件包来计算单重态和三重态的相互作用势能，还有二阶自旋-轨道耦合，然后用MOLSCAT程序来计算相关的散射过程。但是，从头算电子结构方法的精度还不够准确预测实验中的非弹性碰撞概率，所以科学家们引入了三个自由参数来调整计算的相互作用势能。

通过和实验数据对比，科学家们发现计算结果和测量值吻合得很好，这就像拼图的各个部分完美地拼在了一起。而且，他们还发现超精细弛豫和冷自旋翻转的概率会随着系统的约化质量和单重态-三重态相位差周期性地变化。

（二）量子共振效应：微观世界的神秘乐章

接下来，科学家们把目光投向了铷原子的较低超精细状态fBb = 1。在这个状态下，之前描述自旋交换的公式不太适用了，因为出射通道变少，能量释放也很小。

科学家们测量了处于|1，-1>Rb|⬆>Sr自旋状态的原子-离子对中离子的自旋翻转概率，并进行了相应的散射计算。结果发现，这个概率对单重态和三重态的相位和有很大的依赖性。在较大的相位差下，自旋翻转概率变化很大，甚至能相差两倍。即使在相位差的时候，也有很多小的尖锐振荡和峰值。

科学家们把这些现象归因于Feshbach共振，它来自于|f = 2，mf>Rb|ms>Sr自旋状态的分子能级。当一个（准）束缚态接近散射能量并与入射通道相互作用时，就会发生Feshbach共振，它会大大增强特定部分波的非弹性散射。而且，这些共振在较高温度下也能存在，计算结果显示，在0.1-10mK的温度范围内，自旋翻转概率会随着温度变化，在较低温度下变化更明显。

科学家们还计算了自旋翻转概率随着磁场的变化情况。他们发现，在0.5mK的实验温度下，自旋翻转概率对磁场有明显的依赖性。在0.1mK左右，Feshbach共振会更加明显，这种效应在现代的混合离子-原子实验中是可以被观察到的。

三、研究结论：微观世界的新突破

通过这次研究，科学家们建立了一个很厉害的模型，它可以预测在多个部分波区域中离子-原子碰撞的非弹性碰撞概率。这个模型的计算结果和实验测量值很接近，误差比测量的标准不确定度还小，就像一把精准的尺子。

而且，研究发现量子干涉可以通过相位锁定机制在比超冷状态高很多温度的情况下持续存在。这就像在一个原本被认为很混乱的微观世界里，找到了一种隐藏的秩序。通过这个机制，科学家们可以更准确地确定控制非弹性碰撞速率的短程参数，还能了解控制Sr+ + Rb碰撞的相互作用势能的条件。

另外，模型预测的磁Feshbach共振在超冷状态以上的温度下，会显著改变离子的自旋翻转概率，而且在现有的混合离子-原子系统实验中就能观察到。如果把系统温度冷却到0.1mK左右，观察效果会更好，这就为控制离子-原子对的相互作用提供了新的方法，就像给微观世界的研究打开了一扇新的大门。未来，对这些共振光谱的测量还可以帮助校准单重态和三重态的势能曲线，这将是在多个部分波区域中首次观察到磁可调Feshbach共振，意义重大。

四、结尾展望：微观探索的无限可能

今天，我们一起了解了科学家们在超冷状态下对离子-原子碰撞进行量子控制的研究。通过巧妙的实验设计和精确的计算，发现了量子干涉和Feshbach共振等奇妙的现象，为我们打开了一扇了解微观世界的新窗口。

五、一起来做做题吧

参考文献：

Maks Z. Walewski et al. Quantum control of ion-atom collisions beyond the ultracold regime. Sci. Adv.11, eadr8256(2025).