原子

p style=" text-indent: 2em text-align: justify " 从中国研制第一颗科学卫星——双星计划开始，中国科学院国家空间科学中心的科学家就和瑞典空间物理研究所的科学家有了首度合作。 /p p style=" text-indent: 2em text-align: justify " 时隔十数年，在嫦娥四号国际载荷工作中，两位老朋友再度联手，研制出国际上首个可以在月表直接探测中性原子的仪器——中性原子探测仪。 /p p style=" text-indent: 2em text-align: justify " “月球是一个天然的实验室，太阳风和月表的相互作用，可以类比到其他的行星体上，对未来的科学研究提供重要的科学数据。”中方首席专家、中科院空间中心研究员张爱兵说。 /p p style=" text-indent: 2em text-align: justify " 太阳风吹呀吹 中性原子飞呀飞 /p p style=" text-indent: 2em text-align: justify " 太阳风是一种跟空气流动很相似的“风”，只不过它吹的不是气体分子，而是太阳上层大气射出的超声速等离子体带电粒子流。 /p p style=" text-indent: 2em text-align: justify " 由于太阳风中的粒子会干扰通讯系统，它一直让人类倍感恐慌。2006年12月13日，一次太阳风暴曾经对我国短波无线电通信造成严重影响，使得广州、海南、重庆通信中断达3小时之久。好莱坞大片《2012》《末日预言》等也曾展现过人类对于太阳风袭击地球的恐惧。 /p p style=" text-indent: 2em text-align: justify " 这种恐惧同时也演化成了科学家的研究方向，在没有磁场、大气保护层的“月球实验室”里，他们决定近距离且直观地看一看太阳风与月球表面的作用机制。 /p p style=" text-indent: 2em text-align: justify " “最早，人们以为太阳风里的离子和电子是被月表吸收了，但是，经过一段时间的研究后，科研人员发现，太阳风离子打到月表后，会反射回来，反射回来的粒子里，有一部分仍然是离子状态，还有一部分则获得了电子，从离子状态变成了原子状态，成为中性原子。”张爱兵说。 /p p style=" text-indent: 2em text-align: justify " 与此同时，就好比“一石激起千层浪”，太阳风里的高速粒子打到月球表面后，也会将月球表面物质溅射起来。 /p p style=" text-indent: 2em text-align: justify " “最终，溅射出的中性原子也会因为拥有一定的速度和能量，出现‘逃逸’，形成月球的外逸层。”张爱兵说。 /p p style=" text-indent: 2em text-align: justify " 除此之外，太阳风和月表作用会对月球环境产生什么样的影响，也是科学家希望探索的内容。 /p p style=" text-indent: 2em text-align: justify " “有科学家猜测，太阳风里的氢离子和月表的氧相击，可能会产生水，月球上的水可能与太阳风打到月球表面有一些关系，虽然这还不是一个定论，这也是我们想要搞清楚的内容。”张爱兵说。 /p p style=" text-indent: 2em text-align: justify " 创造探月新历史 首次月表直接探测 /p p style=" text-indent: 2em text-align: justify " 这次，嫦娥四号上搭载的中性原子探测仪，主要目标就是在月表上测量太阳风和月表相互作用之后产生的中性原子，包括太阳风本身的离子获得电子后产生的中性原子，和月球表面被溅射出的中性原子。 /p p style=" text-indent: 2em text-align: justify " 印度的首颗绕月人造卫星“月神一号”曾经搭载过中性原子成像仪，但和其他探月卫星一样，都是在环月轨道上对中性原子进行探测。 /p p style=" text-indent: 2em text-align: justify " “我们这次要做的是在月表巡视区直接测量中性原子，可以说是人类探月史上首次在月表开展中性原子探测。以往的探测就好像是用肉眼看中性原子，这次，我们是拿着放大镜近距离、仔细地看。”张爱兵说。 /p p style=" text-indent: 2em text-align: justify " 过去人类在环月轨道对中性原子的探测，曾发现了一些超出预期的现象，留下了一些未解之谜，例如，人们发现中性原子和太阳风在密度、速度比率上没有直接关系等，而这些谜题也为此次探测指出了方向。 /p p style=" text-indent: 2em text-align: justify " “这次我们在月表可以进行实地观测，随着月球车在月表移动到不同位置，可以观测到月表不同的地形地貌，进而观测到太阳风与月表相互作用的不同过程，有望解决过去遗留的类似科学问题。”张爱兵说。 /p p style=" text-indent: 2em text-align: justify " 碰撞与交流中 航天文化再度对接 /p p style=" text-indent: 2em text-align: justify " 作为搭载在嫦娥四号巡视器上的国际载荷，中性原子探测仪由瑞典空间物理所负责研制，中国科学家参与设备的性能测试及交付后的相关工作。 /p p style=" text-indent: 2em text-align: justify " 张爱兵介绍，中国与瑞典在科学卫星载荷上，已经有了很长的合作历史。 /p p style=" text-indent: 2em text-align: justify " 最开始的合作是在中欧合作研制的我国第一颗空间科学卫星——双星计划时。双星计划中有一台测量地球轨道环境下中性原子情况的中性原子探测仪，就是由中国科学家和瑞典科学家合作完成。 /p p style=" text-indent: 2em text-align: justify " 2009年，中国发起的“萤火一号”火星探测计划中，中国科学家与瑞典科学家再度合作，双方分别研制其中一个载荷的一部分，然后集中在一起形成了一个载荷包，用于测量火星离子和电子的情况。 /p p style=" text-indent: 2em text-align: justify " 此外，在中科院空间科学先导专项中，中国科学家和瑞典科学家也曾联手完成一些预先研究项目。 /p p style=" text-indent: 2em text-align: justify " “由于双方合作次数比较多，所以在嫦娥四号的合作上非常顺利。”张爱兵说。 /p p style=" text-indent: 2em text-align: justify " 当然，尽管顺利，但合作中难免会有碰撞和交流，“新的合作加深了两国航天文化的交流。”张爱兵说。 /p p style=" text-indent: 2em text-align: justify " 按照中方的相关规范，中方在国际载荷接管复查过程中要确保接口安全，包括接口设计和元器件等的安全，不能影响其他载荷的工作，更不能影响嫦娥四号整体任务。 /p p style=" text-indent: 2em text-align: justify " “一开始对方不能理解，但是通过交流，他们还是按照我们的要求做了相关工作，并把相关资料提供给中方。此次合作再一次体现了我国航天精益求精的作风，而这样的工作作风也让瑞典科学家十分认可中国科学家的工作。”张爱兵说。 /p p style=" text-indent: 2em text-align: justify " 未来，中国和瑞典将共同利用科学数据开展科学研究，为此，中方已经组织了专门的科学家团队。“双方将会协同工作，共同利用好这台仪器的科研数据。”张爱兵说。 /p

p 　　日本东京大学柴田直哉准教授领导的研究小组，利用目前最先进的扫描透射电子显微镜(STEM)和多分区检测器，首次成功观测到金原子内部电场的分布情况——该电场分布在原子核与电子云之间不到0.1纳米的区域内。最新成果对观察原子内部精密结构极为重要，使未来直接观察原子间如何结合成为可能。 /p p 　　扫描透射电子显微镜电子探针的大小决定对影像的分辨能力，目前最先进镜片技术的影像分辨力可达0.05纳米以下。电子探针可以检测出由原子产生的散射信号，因此可实现原子可视化。尽管到目前为止，电子显微镜可观测到原子，但直接观察原子内部结构(原子核及电子云)却极为困难。 /p p 　　研究小组使用分辨能力达0.05纳米以下的扫描透射电子显微镜和他们开发的多分区检测器，对一个金原子内部进行观测，结果发现，在带正电荷的原子核与带负电荷的电子云之间电场的影响下，电子束的行进角度和位置发生了变化，从而直接观察到了原子内部的电场分布，成功捕捉到了原子内部电场从原子核向电子云方向涌动的情形。 /p p 　　目前，电子显微镜广泛应用于物理化学、电子信息工程学、材料科学、生命科学等尖端基础研究领域 也在半导体设备、医疗、信息通信、能源等产业“大显身手”。提高电子显微镜的性能，对纳米技术研究尤为重要。该研究小组的下一步计划是，挑战直接观察原子间如何联系结合这一难题。 /p p 　　该成果发表在近日出版的《自然· 通讯》网络版上。 /p

中国科学技术大学潘建伟、赵博等与中国科学院化学研究所白春礼小组合作，在超冷原子双原子分子混合气中首次实现三原子分子的相干合成。该研究中，科研人员在钾原子和钠钾基态分子的Feshbach共振附近利用射频场将原子和双原子分子相干地合成了超冷三原子分子，向基于超冷原子分子的量子模拟和超冷量子化学的研究迈出了重要一步。2月9日，相关研究成果发表在《自然》（Nature）上。 　　量子计算和量子模拟具有强大的并行计算和模拟能力，不仅能够解决经典计算机无法处理的计算难题，还能有效揭示复杂物理系统的规律，从而为新能源开发、新材料设计等提供指导。量子计算研究的终极目标是构建通用型量子计算机，但实现该目标需要制备大规模的量子纠缠并进行容错计算。当前量子计算的短期目标是发展专用型量子计算机，即专用量子模拟机，其能够某些特定问题上解决现有经典计算机无法解决的问题。例如，超冷原子分子量子模拟，利用高度可控的超冷量子气体来模拟复杂的难于计算的物理系统，可以对复杂系统进行精确的全方位的研究，因而在化学反应和新型材料设计中具有广泛应用前景。 　　超冷分子将为实现量子计算打开了新思路，并为量子模拟提供理想平台。但由于分子内部的振动转动能级复杂，通过直接冷却的方法来制备超冷分子十分困难。超冷原子技术的发展为制备超冷分子提供了新途径，可绕开直接冷却分子的困难，从超冷原子气中利用激光、电磁场等来合成分子。利用光从原子气中合成分子的研究可以追溯到20世纪80年代。激光冷却原子技术的出现使得光合成双原子分子得以快速发展，并在高精度光谱测量中取得了广泛应用。在光合成双原子分子成功后，科研人员开始思考能否利用量子调控技术从原子和双原子分子的混合气中合成三原子分子。在2006年发表的综述文章[Rev. Mod. Phys. 78，483, (2006)]中，美国国家标准局教授Paul Julienne等人回顾了光合成双原子分子过去二十年的发展历史，并指出从原子和双原子分子的混合气中合成三原子分子是未来合成分子领域的重要研究方向。由于光合成的双原子分子气存在密度低、温度高等缺点，无法用来研究三原子分子的合成。随着超冷原子气中Feshbach共振技术的发展，利用磁场或射频场合成分子成为制备超冷双原子分子的主要技术手段。从超冷原子中制备的双原子分子具有相空间密度高、温度低等优点，并且可以用激光将其相干地转移到振动转动的基态。自2008年美国科学院院士Deborah Jin和叶军的联合实验小组制备了铷钾超冷基态分子以来，多种碱金属原子的双原子分子先后在其他实验室中被制备出来，并被广泛应用于超冷化学和量子模拟研究中。 　　2015年，法国国家科学研究中心教授Olivier Dulieu等在理论上分析了从原子双原子分子混合气中合成三原子分子的可行性 [Phys. Rev. Lett. 115, 073201 (2015)]。 但由于三原子分子的相互作用复杂，无法精确计算，因而理论上无法预测三原子分子的束缚态的能量以及散射态和束缚态的耦合强度。中国科学技术大学研究小组在2019年首次观测到超低温下原子和双原子分子的Feshbach共振[Science 363, 261 (2019)]。在Feshbach共振附近，三原子分子束缚态的能量和散射态的能量趋于一致，同时散射态和束缚态之间的耦合被大幅度地共振增强。原子分子Feshbach共振的观测为合成三原子分子提供了新机遇。但由于原子和分子的Feshbach共振十分复杂，理论上难以理解，能否和如何利用Feshbach共振来合成三原子分子成为具有挑战性的问题。 　　该研究中，合作研究小组首次实现了利用射频场相干合成三原子分子。在实验中，科研人员从接近绝对零度的超冷原子混合气出发，制备了处于单一超精细态的钠钾基态分子。在钾原子和钠钾分子的Feshbach共振附近，通过射频场将原子分子的散射态和三原子分子的束缚态耦合在一起。在钠钾分子的射频损失谱上观测到射频合成三原子分子的信号，并测量了Feshbach共振附近三原子分子的束缚能。该工作为量子模拟和超冷化学的研究开辟了新道路。超冷三原子分子是模拟量子力学下三体问题的理想研究平台。三体问题十分复杂，即使经典的三体问题由于存在混沌效应也无法精确求解。在量子力学的约束下，三体问题变得更加难以捉摸。如何理解和描述量子力学下的三体问题是少体物理中的重要难题。此外，超冷三原子分子可以用来实现超高精度的光谱测量，为刻画复杂的三体相互作用势能面提供了重要基准。由于计算势能面需要高精度地求解多电子薛定谔方程，超冷三原子分子的势能面也为量子化学中的电子结构问题提供了重要信息。 　　研究工作得到科技部、国家自然科学基金委、中科院、安徽省、上海市等的支持。 　　论文链接