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量子计算和量子模拟具有强大的并行计算和模拟能力，不仅能解决经典计算机无法处理的计算难题，还能有效揭示复杂体系的物理规律，从而为新能源开发、新材料设计等提供指导。利用高度可控的超冷量子气体来模拟复杂难以计算的物理系统，可以对复杂系统进行精确的全方位研究，因而在化学反应和新型材料的研究中具有广泛的应用前景。
高度可控的超冷分子气体，为量子计算和量子模拟提供了全新的研究平台，但由于分子内部振转能级非常复杂，导致通过直接冷却方法来制备超冷分子非常困难。超冷原子技术的发展为制备超冷分子提供了一条新的途径，人们可以从超冷原子气中利用激光、磁场或者射频场等合成分子。1998年，美国麻省理工学院沃尔夫冈·克特勒研究组观测到原子中的费希巴赫共振。2003年，科罗拉多大学黛博拉·金研究组利用费希巴赫共振制备了弱束缚钾分子。随后，多种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的研究中。
超冷双原子分子的成功制备，唤起了人们对合成超冷三原子分子的研究兴趣。超冷三原子分子将会为量子模拟和超冷化学研究带来一系列新的研究机遇。2006年，美国国家标准局保罗·朱利安教授等人指出，从双原子分子和原子混合气中合成三原子分子是未来超冷分子领域的一项重要研究课题。2019年，研究人员首次观测到超低温下钠钾分子和钾原子间的费希巴赫共振。双原子分子—原子费希巴赫共振的成功观测，为合成三原子分子提供了可能。但是，能否和如何利用费希巴赫共振来合成三原子分子，依然是实验上的巨大挑战。
为了能够在钠钾分子和钾原子费希巴赫共振附近利用射频场来合成三原子分子，研究人员首先制备了钠钾分子与钾原子的超冷混合气。在钠钾分子和钾原子的费希巴赫共振附近，研究人员通过施加射频场将钠钾分子—钾原子散射态和三原子分子的束缚态耦合在一起。当共振耦合发生时，分子—原子散射态就可以相干转移到三原子分子束缚态，从而实现三原子分子的量子相干合成。合成三原子分子的信号会随着磁场的改变而移动，从中可以获取费希巴赫共振附近三原子分子的束缚能。
研究人员利用普适模型对结合能进行了拟合，反推出的费希巴赫共振位置，与之前实验测得的结果相符合。该工作由研究人员与中国科学院化学研究所白春礼研究组合作完成。该工作首次成功在基态双原子分子—原子费希巴赫共振附近相干合成了三原子分子，为制备和操控超冷三原子分子打下了坚实基础。随后，研究人员在简并的钠钾分子—钾原子混合气中通过绝热扫描磁场的方法，制备出高相空间密度的超冷三原子分子系综，其相空间密度比其他方法提高了约10个数量级 。
超冷三原子分子的量子相干合成，为量子模拟和超冷化学的研究开辟了一条新的道路。由于这些令人激动的应用前景，超冷三原子分子的相干合成入选英国物理学会新闻网站《物理世界》评选的2022年度国际物理学十大研究进展。入选理由为“迎接超冷化学新时代：他们的成就为物理学和化学的新研究铺平了道路。超冷化学反应的研究、新形式的量子模拟，以及基础科学的检验都得益于这些多原子分子平台，从而也更接近于实现”。
（第一作者系中国科学技术大学教授，第二作者系中国科学技术大学教授、中国科学院院士）
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