漫畫 | 物理學家在絕對零度附近，觀察原子「戀愛」和分子「分手」

夏天來了，神州處處是火爐。這個時候，如果能喝上一瓶冰鎮飲料，想必能暫時緩解一下燥熱的心情。

你知道嗎？在物理學家看來，冰塊其實不夠冷，可以說熱得離譜。

在常溫下，水是液態的，這是因為水分子具有很大的能量，並且會到處亂跑。

在冰箱里，當氣溫達到零度以下時，水分子的能量稍微降低。在分子間作用力的牽制下，誰都不能亂跑。於是，水就結成了冰。

表面上看，冰塊里的水分子很安靜。其實，它們仍然擁有很高的能量。雖然不能亂跑，但它們有各種辦法自娛自樂，要多亂有多亂。

如果想要讓分子盡量不要動，就要繼續降低溫度，奪走分子的能量。假如溫度能夠降低到-273.15℃，從理論上講，所有的原子和分子都會停止熱運動。這是物質能達到的最低的溫度，所以叫做絕對零度。因為在物理學家眼中，絕對零度才是真正的零度。

到了絕對零度以後，原子不能亂動，豈不是很適合進行科學研究？基於這種想法，近年來科學家搗騰出了一門交叉學科：超冷量子化學。

2017年7月，科學技術大學潘建偉教授及其同事趙博、陳宇翱等，在《自然·物理》雜誌上就發表了一篇實驗論文，講就是在絕對零度附近，觀察原子間「戀愛」（結合成分子）和分子「分手」（反應變成另一種分子）的行為。

他們通過激光冷卻和蒸發冷卻的方法，把30萬個鈉原子和16萬個鉀原子的溫度降到了絕對零度之上0.0000005度（即500nK），然後囚禁在一個用激光製造的「陷坑」里。

鈉原子和鉀原子雖然都是鹼金屬，但在它們相遇時在原子間范德瓦爾斯力作用下也會擦出微小的火花，形成一種弱束縛分子。

在平常的溫度下（比如零攝氏度），鈉原子蒸氣的能量很高，運動速度能超過400米/秒，比民航飛機飛行的速度還要快。即使它能和鉀原子擦出火花，也不能維持。

如果把溫度降低到絕對零度之上0.0000005攝氏度（500nK），鈉原子的能量就會大大降低，運動速度減小到0.02米/秒，和蝸牛爬的一樣慢。

然而，物理學家把原子和分子的溫度降得那麼低，並不是為了讓它們在盛夏享受這絲酷爽。而是要通過第三者插足，無情的拆散它們，並觀察其中化學反應的每一步過程。

這個第三者插足的化學反應，可以簡單地寫成AB+C—>AC+B。其中A是鈉原子，B是自旋為-5/2的鉀原子，C是自旋為-3/2的鉀原子。也就是說，一個鉀原子上位替換了弱束縛分子中原來的鉀原子。

這個第三者插足的反應看似簡單，但它有一個非常大的好處。

在之前的超冷量子化學實驗中，科學家無法直接看到反應的產物。因為許多化學反應都會釋放巨大的能量。本來超低溫下的原子和分子都囚禁在陷坑裡，但它們一旦擁有了足夠的能量，就會遠走高飛，逃出科學家的掌控。

在中科大的這個實驗中，科學家還在陷坑周圍設置了磁場。鈉鉀分子和鉀原子反應時釋放的能量跟磁場大小有關，可以通過磁場進行調節。科學家把磁場設定在了130高斯左右（相當於地球磁場的200多倍），讓它們的反應盡量少釋放能量，從而保證反應產物都逃不出去，乖乖等著測量。

通過這個實驗，科學家在2毫秒的時間內，精確觀察了1萬多對弱束縛鈉鉀分子，是如何一步一步被第三者拆散的，又重新組合成新對象的。

他們不僅第一次觀測到了一個微觀反應通道的完整反應產物，測量到產物產生的動力學過程，並第一次可以根據產物的演化來標定超冷化學反應的行為。

要知道，在常溫下的每一個化學反應中，都包含大量各不相同的微觀通道。化學家只能籠統地做個平均，根本不能在實驗中探究每一個細節，更別說從量子物理的基礎理論進行精確計算了。

在絕對零度附近，原子都被凍成了單個量子態。它們沒有多少套路可以走，只能按照物理學家限定的方式，以最簡單的形式碰撞，從一種狀態轉化到另外一種狀態。所以，物理學家對整個過程觀測、分析的一清二楚。這是第一次在超冷化學反應中觀測到態到態的化學反應。

中科大超冷分子實驗室最初的設計想法，源自約半個世紀前，20世紀70年代化學家W. Stwalley提出的理論預言。中科大的科學家們從零起步，耗費了三年半的時間，親自設計、搭建實驗平台後，僅用了半年時間就取得了目前的實驗成果。

這一次實驗的成功，將化學反應動力學的實驗研究推進到量子水平。《自然·物理》雜誌的審稿人說：「這個工作是超冷化學領域的一個重要的里程碑，對化學和物理研究者將有著廣泛的興趣。」

為什麼科學家們對超冷量子化學這個新課題感興趣呢？

舉個栗子，宇宙環境中自然存在的最低溫度僅比絕對零度高大約3攝氏度，那比這個溫度更低時化學反應怎樣進行呢？這個問題科學家也不清楚。因為要想把分子氣體冷卻到這麼低的溫度，其實非常困難。

理論物理學家曾舉了這樣一個例子：分子之間存在一類微弱的量子現象，叫做Feshbach共振。量子物理理論曾經預言，這樣的共振可以多達上百個。但是在常溫或者通常的低溫下，由於溫度還不夠低，分子碰撞的通道會平均化，結果導致這種量子現象在實驗中幾乎一個也觀測不到。

然而當將分子氣體的溫度降到超低溫以下(

在經典力學看來，當溫度達到絕對零度時，化學反應就不會發生了。但根據量子力學的原理，在絕對零度下，化學反應仍然可以有效的進行。

因此，超低溫下分子反應的實驗研究和理論探索，對於發展量子化學理論，以及認識更複雜自然和生命體系中的量子效應是非常有必要的。

參考文獻：

1.https://arxiv.org/abs/0809.3920

2.https://arxiv.org/abs/1111.4608

3.J.Rui and et al. Controlled state-to-state atom-exchange reaction in an ultracold atom–dimer mixture, Nature Physics, Vol.13, 699 (2017)

4.白澤，超冷原子分子混合氣中態到態化學反應的觀測。

墨子沙龍

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