漫画|物理学家在绝对零度附近，观察原子“恋爱”和分子“分手”

夏天来了，神州处处是火炉。这个时候，如果能喝上一瓶冰镇饮料，想必能暂时缓解一下燥热的心情。

你知道吗？在物理学家看来，冰块其实不够冷，可以说热得离谱。

在常温下，水是液态的，这是因为水分子具有很大的能量，并且会到处乱跑。

在冰箱里，当气温达到零度以下时，水分子的能量稍微降低。在分子间作用力的牵制下，谁都不能乱跑。于是，水就结成了冰。

表面上看，冰块里的水分子很安静。其实，它们仍然拥有很高的能量。虽然不能乱跑，但它们有各种办法自娱自乐，要多乱有多乱。

如果想要让分子尽量不要动，就要继续降低温度，夺走分子的能量。假如温度能够降低到-273.15℃，从理论上讲，所有的原子和分子都会停止热运动。这是物质能达到的最低的温度，所以叫做绝对零度。因为在物理学家眼中，绝对零度才是真正的零度。

到了绝对零度以后，原子不能乱动，岂不是很适合进行科学研究？基于这种想法，近年来科学家捣腾出了一门交叉学科：超冷量子化学。

2017年7月，中国科学技术大学潘建伟教授及其同事赵博、陈宇翱等，在《自然·物理》杂志上就发表了一篇实验论文，讲就是在绝对零度附近，观察原子间“恋爱”（结合成分子）和分子“分手”（反应变成另一种分子）的行为。

他们通过激光冷却和蒸发冷却的方法，把30万个钠原子和16万个钾原子的温度降到了绝对零度之上0.0000005度（即500nK），然后囚禁在一个用激光制造的“陷坑”里。

钠原子和钾原子虽然都是碱金属，但在它们相遇时在原子间范德瓦尔斯力作用下也会擦出微小的火花，形成一种弱束缚分子。

在平常的温度下（比如零摄氏度），钠原子蒸气的能量很高，运动速度能超过400米/秒，比民航飞机飞行的速度还要快。即使它能和钾原子擦出火花，也不能维持。

如果把温度降低到绝对零度之上0.0000005摄氏度（500nK），钠原子的能量就会大大降低，运动速度减小到0.02米/秒，和蜗牛爬的一样慢。

然而，物理学家把原子和分子的温度降得那么低，并不是为了让它们在盛夏享受这丝酷爽。而是要通过第三者插足，无情的拆散它们，并观察其中化学反应的每一步过程。

这个第三者插足的化学反应，可以简单地写成AB+C—>AC+B。其中A是钠原子，B是自旋为-5/2的钾原子，C是自旋为-3/2的钾原子。也就是说，一个钾原子上位替换了弱束缚分子中原来的钾原子。

这个第三者插足的反应看似简单，但它有一个非常大的好处。

在之前的超冷量子化学实验中，科学家无法直接看到反应的产物。因为许多化学反应都会释放巨大的能量。本来超低温下的原子和分子都囚禁在陷坑里，但它们一旦拥有了足够的能量，就会远走高飞，逃出科学家的掌控。

在中科大的这个实验中，科学家还在陷坑周围设置了磁场。钠钾分子和钾原子反应时释放的能量跟磁场大小有关，可以通过磁场进行调节。科学家把磁场设定在了130高斯左右（相当于地球磁场的200多倍），让它们的反应尽量少释放能量，从而保证反应产物都逃不出去，乖乖等着测量。

通过这个实验，科学家在2毫秒的时间内，精确观察了1万多对弱束缚钠钾分子，是如何一步一步被第三者拆散的，又重新组合成新对象的。

他们不仅第一次观测到了一个微观反应通道的完整反应产物，测量到产物产生的动力学过程，并第一次可以根据产物的演化来标定超冷化学反应的行为。

要知道，在常温下的每一个化学反应中，都包含大量各不相同的微观通道。化学家只能笼统地做个平均，根本不能在实验中探究每一个细节，更别说从量子物理的基础理论进行精确计算了。

在绝对零度附近，原子都被冻成了单个量子态。它们没有多少套路可以走，只能按照物理学家限定的方式，以最简单的形式碰撞，从一种状态转化到另外一种状态。所以，物理学家对整个过程观测、分析的一清二楚。这是第一次在超冷化学反应中观测到态到态的化学反应。

中科大超冷分子实验室最初的设计想法，源自约半个世纪前，20世纪70年代化学家W. Stwalley提出的理论预言。中科大的科学家们从零起步，耗费了三年半的时间，亲自设计、搭建实验平台后，仅用了半年时间就取得了目前的实验成果。

这一次实验的成功，将化学反应动力学的实验研究推进到量子水平。《自然·物理》杂志的审稿人说：“这个工作是超冷化学领域的一个重要的里程碑，对化学和物理研究者将有着广泛的兴趣。”

鸣谢：芮俊

脚本：Sheldon
美指：牛猫

绘制：赏鉴

排版：胡豆

本文使用的所有文字及图片未经允许不得转载（欢迎转发朋友圈），违者必究！

编者注

为什么科学家们对超冷量子化学这个新课题感兴趣呢？

举个栗子，宇宙环境中自然存在的最低温度仅比绝对零度高大约3摄氏度，那比这个温度更低时化学反应怎样进行呢？这个问题科学家也不清楚。因为要想把分子气体冷却到这么低的温度，其实非常困难。

理论物理学家曾举了这样一个例子：分子之间存在一类微弱的量子现象，叫做Feshbach共振。量子物理理论曾经预言，这样的共振可以多达上百个。但是在常温或者通常的低温下，由于温度还不够低，分子碰撞的通道会平均化，结果导致这种量子现象在实验中几乎一个也观测不到。

然而当将分子气体的温度降到超低温以下(<mK)，分子间只允许以最简单的通道（S波或P波）进行碰撞，这样理论分析得到极大简化。

在经典力学看来，当温度达到绝对零度时，化学反应就不会发生了。但根据量子力学的原理，在绝对零度下，化学反应仍然可以有效的进行。

因此，超低温下分子反应的实验研究和理论探索，对于发展量子化学理论，以及认识更复杂自然和生命体系中的量子效应是非常有必要的。

参考文献：

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.白泽，超冷原子分子混合气中态到态化学反应的观测。

  

墨子沙龙

一起分享科学世界的点滴