如何评价哈佛大学的科学家精确操控两个单一原子，合成一个分子？这项成果在哪些方面有突破？
要评价这项成果，咱们得先拆解一下它到底是怎么做到的，以及为什么这件事情这么难。
“精确操控两个单一原子，合成一个分子”—— 这句话的意义深远，让我一点点给您掰扯清楚。
首先，我们得理解“单一原子”和“分子”的含义：
单一原子： 这是构成物质最基本的单元。原子虽小，但里面包含着原子核（质子和中子）以及围绕原子核运动的电子。我们平常看到的绝大多数物质，都是由无数个原子组成的。
分子： 这是由两个或两个以上原子通过化学键结合而成的粒子。比如水分子（H₂O），就是由两个氢原子和一个氧原子组成的。分子的性质与组成它的原子大相径庭，很多物质的特性就体现在其分子结构上。
这项成果的“难”在哪里？
您想象一下，我们要用镊子去夹取沙子里的芝麻，但这不是芝麻，而是比芝麻小无数倍、而且在不断振动的微小粒子。更关键的是，我们不仅仅是要“夹起来”，还要让这两个原子以特定的方式“结合”，形成一个有稳定结构的分子。
1. 微观世界的尺度： 原子的大小是以埃（Å）为单位的，1埃等于10的负10次方米。这意味着我们操作的对象是肉眼完全无法看见的。用我们日常的工具去操控，根本是天方夜谭。
2. 原子间的相互作用： 原子之间存在着复杂的电磁力、范德华力等。要让它们以特定的方式结合成化学键，需要非常精密的控制能量和距离。稍微有点偏差，它们要么排斥，要么就随意结合，或者根本不反应。
3. 环境的干扰： 微观粒子对外界环境非常敏感。一丝一毫的震动、温度变化、杂散的电磁场都可能干扰到原子的运动和相互作用，导致实验失败。
哈佛科学家是如何做到的？
这项成果之所以能实现，离不开一系列尖端技术的支撑，其中最关键的可能是量子模拟（Quantum Simulation）和超低温环境（Cryogenic Temperatures）以及精确的激光操控（Precise Laser Manipulation）。
量子模拟的平台： 为了精确操控原子，科学家们通常会构建一个“囚笼”，将需要操作的原子固定在一个特定位置。一种常用的方法是利用光镊（Optical Tweezers）。光镊通过聚焦的激光束产生电磁场，能够捕获并 удерживать 极小的粒子，包括原子。更进一步，他们可能会用更复杂的光学系统来产生特定的电磁场，从而创造出能够精确控制原子行为的“量子模拟器”。
超低温环境： 在极低的温度下，原子的热运动会大大减缓，使得它们更加稳定，更便于科学家进行精确的操控和观察。这就像在一个非常平稳的平台上操作精密仪器，而不是在一个晃动的船上。
激光的精细调控： 激光不仅可以用来捕获原子，更重要的是，通过调整激光的频率、强度和脉冲，科学家可以向原子输送精确的能量，诱导它们发生特定的化学反应，形成化学键。这就像是给原子们“喂食”特定的能量信号，引导它们“交谈”并“握手”。
这项成果在哪些方面有突破？
这项成就不仅仅是一个“技术上的壮举”，它在多个科学领域都带来了深刻的突破：
1. 基础物理学和量子信息科学的里程碑：
验证量子力学理论： 这项成果极大地提升了我们对量子力学基本原理的理解。我们能够以史无前例的精度来观察和控制微观粒子的行为，为验证更深层次的量子理论提供了可能。
量子计算的基石： 量子计算机的运行依赖于精确操控量子比特（qubits），而量子比特的载体很多就是单个原子或离子。这项成果展示了我们能够将单个原子作为构建模块，以可控的方式将它们“连接”起来，这是构建更强大的量子计算机迈出的关键一步。未来，这可能意味着更高效的药物研发、材料设计和复杂系统模拟。
量子纠缠与量子门操作： 合成一个分子需要原子之间发生精确的相互作用并形成稳定的化学键，这个过程本身就可能涉及量子纠缠的产生和控制。科学家们可能已经实现了对原子间相互作用的精确调控，这对于实现量子门操作（量子计算中最基本的操作单元）至关重要。
2. 化学领域的革命性进展：
原子级别精确化学合成： 传统的化学合成往往是“批量”进行，我们控制的是反应的整体条件，而无法精确控制每一个反应物的原子。这项成果实现了“按需定制”的原子级化学合成。这意味着我们可以理论上设计并合成任何由特定原子组成的分子，不论它在自然界是否存在，或是极难通过传统方法合成的。
探索全新分子和物质： 这种精确的合成能力，为探索全新的分子结构、具有特殊性质的材料提供了无限可能。我们可以更深入地理解化学键的本质，设计出具有特定催化、光学、电子等性能的新材料，这在能源、环境、生物医药等领域都可能带来颠覆性的应用。
理解反应机理： 通过这种逐个原子、逐个键的构建过程，科学家能够以前所未有的细节观察和理解化学反应的发生机制，这对于发展更高效、更绿色的化学合成方法至关重要。
3. 纳米科学和材料科学的驱动力：
构建功能性纳米结构： 能够精确操控单个原子，意味着我们可以将其作为“积木”，一层一层、一个一个地搭建出复杂的纳米结构。这些结构可能拥有全新的电子、光学或机械性能，为纳米技术的发展开辟道路。
设计超材料： 通过精确排列原子，我们有可能制造出具有超常性质的材料，比如负折射率材料，这在光学和通信领域具有巨大的应用潜力。
更进一步地思考，这项成果可能意味着：
从“观察”到“创造”的跨越： 我们不再仅仅是被动地观察和研究自然界存在的物质，而是拥有了主动“创造”物质的能力。
对物质本质理解的深化： 当我们能精确控制物质最基本的构成单元时，我们对物质的物理和化学性质的理解也会上升到新的高度。
未来科技发展的方向标： 这项成果预示着未来科学研究和技术发展将更加侧重于微观世界的精密操控和定制化设计。
总而言之，哈佛科学家这项“精确操控两个单一原子，合成一个分子”的成就，是科学探索前沿的杰出代表。它不仅在基础物理、量子计算、化学合成、材料科学等多个领域都取得了颠覆性的突破，更重要的是，它为我们描绘了一个未来科技可以达到的高度——一个能够随心所欲地创造和设计物质的时代。这绝对是值得我们高度关注和深感兴奋的一项科学进展。
网友意见
知乎上貌似做冷分子的不多，我随便抛个砖。不做冷分子，稍微知道点。
总的来说，非常漂亮的一个工作，思路非常清晰。个人观点，在现有技术条件下，利用两个冷原子做出一个冷分子应该是水到渠成的一件事。
目前来看，在前两年的atom-by-atom assembly技术诞生后，一种崭新的操控原子和分子的技术正在向我们慢慢走来，可以称为bottom-up方式。
在量子信息里面，我们是通过操控单个qubit，然后一步步往上增加qubit数，那么我们是否可以利用类似的方式来操控冷原子，然后人为搭建量子多体系统呢？答案是可以！而我们用到的技术就是光偶极阱或者光镊。我们先利用传统技术做出一个reservoir，然后把光镊伸进去，抓出一个原子。那怎么确定我就是只抓到一个原子了呢？我们需要打一束成像光去观测原子，在这一过程中，由于photon-assisted collision，阱里面最后只会是0个或1个原子。接下来，我们只需要做后选择就可以了，没抓到就再来。当然这里面肯定有个概率问题，一般是50%左右，如本篇文章中所讲。但很显然，我们需要多个光镊，抓住多个原子，这就是由AOD来实现。同时AOD赋予了我们另外一种能力，我们可以通过调节rf来移动单个光镊。有了这些条件，我们自然可以利用光镊阵列抓出一堆原子，然后随便摆弄了。这就是atom-by-atom assembly技术。随后，哈佛Lukin组利用这个技术做了51个原子的quantum simulator。顺便说一句，当初51出来没几天，UMD的Monroe组就搞了个53离子的2333。
在atom-by-atom assembly诞生之后，一个很自然的想法是我们能不能操控不同原子然后让他们组合成分子。这篇文章给出了我们答案，可以！
首先，我们需要两个reservoir，这个很好办，做传统的超冷分子时也需要两种原子。接下来，如何抓到两种原子，我们需要两种波长不同的光镊，一个抓Cs(976nm)，一个抓Na(700nm)。成功抓到单个原子后，就需要把两个原子放到一个阱中，这就需要transport。文中固定Na，移动Cs。由于700nm的光会对Cs产生排斥力，所以我们移动中我们需要注意增大976nm的光强，使Cs始终被紧紧抓住。当两个光镊重合的时候，我们撤去700nm。这里是因为976nm可以同时抓住Cs和Na，但700nm不可以(涉及到一些专业知识)。然后，我们就要想办法做分子了，传统的超冷分子中是用Feshbach resonance，这里用的是photoassociation (PA)，具体我也不清楚，直观理解就是通过光子向两个原子传递形成分子需要的能量，这个我记得以前的冷分子技术中好像也有。最后，探测分子。对分子不是很熟，就不多说了= =。
我个人认为，这确实是一项很漂亮的工作，对于研究量子多体、化学反应提供了一个全新的方式，但仅仅是个开始。如果要研究量子多体，我们必须要发挥分子的优势：长程相互作用。这要求我们必须要将分子由激发态coherent transfer到基态，传统超冷分子我们用的是STImulated Raman Adiabatic Passage (STIRAP)，不清楚这里是否可以这样做。另外，我们还需要控制更多的光镊，得到更多的分子，然后像之前摆弄原子一样摆弄一堆分子233
我说起来看着不难的样子，但恐怕只有亲身调过光路、搭过台子的人才知道这么一个工作背后有多少付出= =接下来可能会去做atom-by-atom assembly，感觉鸭梨山大……
最后，欢迎拍砖，希望能炸出大佬来233
PS：我记得当初我去哥大找一个做超冷分子的老师聊的时候，我们还聊到是否可以做到用光镊抓单个分子，然后做molecule-by-molecule assembly。我当时想的是从一堆超冷分子中抓出一个来，觉得太难，可能一时做不出来，没想到可以分别抓出两个原子做PA……不过当时确实还是太naive……
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