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超低温之谜被解开-研究人员破解了一种分子消失

更新时间:2020-08-28 10:50点击:

在一个著名的寓言中,三个盲人第一次遇到了一头大象。每一个触碰一个部分——躯干、耳朵或侧部,得出这个生物是一条粗蛇、扇子或一堵墙。倪康权说,这头大象就像量子世界。科学家一次只能探索这种巨大的未知生物的一个细胞。现在,倪透露了更多需要探索的东西。

这一切都始于去年12月,当时她和她的团队完成了一种新的装置,它可以实现任何现有技术中最低温度的化学反应,然后断开并形成分子偶联史上最冷的化学键。但它们的超冷反应也出乎意料地将反应速度减慢,让研究人员得以实时观察化学转化过程中发生了什么。现在,尽管人们认为反应太快,无法测量,但Ni不仅确定了反应的寿命,还解决了这个过程中的一个超冷之谜。

与超冷化学、Ni、莫里斯卡恩副教授的化学和化学生物学和物理学,和她的团队两个potassium-rubidium分子冷却到略高于绝对零度,发现“中间”,反应物变成产物的空间,生活了大约360纳秒(十亿分之一秒,但足够长的时间)。“它不是反应物。不是产品本身。它介于两者之间。”观察这种变化,就像触摸大象的一侧一样,可以告诉她一些关于分子——万物的基础——如何工作的新东西。

但他们不只是观看。

“这东西活得很长,我们现在可以摆弄它了……刘宇是文理学院的一名研究生,也是他们在《自然物理》上发表的研究论文的第一作者。“典型的配合物,比如那些在室温下反应的配合物,你不能做太多,因为它们会很快分解成产物。”

就像《星际迷航》中的牵引光束一样,激光可以捕获和操纵分子。在超低温物理学中,这是捕获和控制原子、观察它们的量子基态或迫使它们反应的常用方法。但是,当科学家们从操纵原子转向扰乱分子时,奇怪的事情发生了:分子开始从人们的视野中消失。

刘说:“他们准备了这些分子,希望实现他们承诺的许多应用——比如建造量子计算机——但他们看到的却是损失。”

碱原子,像钾和铷,Ni和她的团队研究,很容易冷却在超冷的领域。1997年,科学家们因在激光中冷却和捕获碱原子而获得了诺贝尔物理学奖。但分子比原子更不稳定:它们不只是一个球形的东西,刘说,它们可以旋转和振动。当这些气体分子被困在激光中,就像预期的那样相互碰撞,但有些就消失了。

科学家推测,这种分子损失是由化学反应造成的——两个分子碰撞在一起,并转化为新的物种,而不是向不同的方向移动。但如何?

“我们在论文中的发现回答了这个问题,”刘说。“你用来限制分子的方法就是杀死分子。”换句话说,这是光的错。

当Liu和Ni使用激光来操纵中间复合体——他们化学反应的中间部分时,他们发现光迫使分子离开它们的典型反应路径,进入新的反应路径。一对分子,作为中间复合物粘在一起,可以得到“光激发”,而不是遵循它们的传统路径,刘说。碱分子特别容易受到影响,因为它们在中间复合物中存活的时间很长。

“基本上,如果你想消除损失,”刘说,“你必须关灯。你必须找到另一种方法来诱捕它们。”例如,磁铁或电场也能捕获分子。“但这些都是技术要求很高的,”刘说。光更简单。

接下来,Ni想看看这些复合物消失后会去哪里。特定波长的光(比如研究小组用来激发钾铷分子的红外线)可以产生不同的反应路径,但是没有人知道哪种波长的光可以使分子形成新的结构。

他们还计划探索这个综合体在不同转变阶段的样子。“为了探测它的结构,”刘说,“我们可以改变光的频率,看看激发程度如何变化。从那里,我们可以弄清楚这个东西的能级在哪里,这与它的量子力学结构有关。”

“我们希望这将作为一个模型系统,”Ni说,这是一个研究人员如何探索其他不涉及钾和铷的低温反应的例子。

刘说:“这个反应和其他化学反应一样,有点像一个宇宙。”每一次新的观察,研究小组都会揭示出这只巨大的量子大象的一小部分。因为在已知的宇宙中有无数的化学反应,所以还有很长的路要走。