科學家成功生成超冷四原子分子

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包含4個原子的分子是迄今為止被冷卻到僅比絕對零度高千億分之一度的最大分子。德國馬克斯·普朗克量子光學研究所羅鑫宇博士與中國科學院理論物理研究所石弢研究員合作，成功生成超冷四原子分子。相關研究成果1月31日發表于《自然》。

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四原子分子被冷卻到接近絕對零度。圖片來源：馬克斯·普朗克量子光學研究所

研究人員用于冷卻單個原子的技術，比如用激光和磁力撞擊原子，對分子的冷卻效果并不好。對于多原子分子來說尤其如此，因為要想實現超冷，它們必須靜止—— 一個分子中運動的部分越多，升溫的機會就越多。

“我們研究分子不是因為它很容易，而是因為它很難。” 羅鑫宇說。現在，他和合作者已經生成了比以往任何時候都冷的四原子分子。

研究人員從幾千個由一個鈉原子和一個鉀原子組成的分子開始，把它們關在一個沒有空氣的“房間”里，用磁力和光猝發冷卻，目的是使其靜止。最冷的可能溫度是0開爾文，也就是絕對零度。這些分子的溫度只有970億分之一開爾文。

為了將兩原子分子轉化為四原子分子，研究人員必須將它們成對結合，且阻止它們升溫。根據石弢的理論計算，他們使用微波場將分子“黏合”在一起。“我們真的不知道能否組裝這些分子，但石弢團隊做了計算，對我說‘這是可能的，試試吧’。”羅鑫宇說。

他們的試驗取得了成功。研究人員在1340億分之一開爾文的溫度下，創造了大約1100個分子，每個分子都有兩個鉀原子和兩個鈉原子，這是迄今為止達到這種超冷溫度的最大分子。

“讓分子變得超冷的原因之一是對它們有更多控制，從這個意義上說，這項工作是向前邁出的一大步。”美國科羅拉多大學博爾德分校的John Bohn說，這項新實驗之所以重要，不僅是因為分子的溫度前所未有，還因為在最冷的時候，它們會進入一個已知的量子態，并可能被精確推入另一個狀態或過程。

羅鑫宇表示，這些分子中的原子不像室溫分子那樣緊密地“黏”在一起。但制造它們是研究復雜化學反應的必要步驟，這些化學反應在極冷和極慢的情況下更容易觀察到。

美國哥倫比亞大學的Sebastian Will說，下一個問題是，在超低溫下，用類似的微波技術可以構建出其他什么。“我們正在尋找量子化學的令人興奮的新機會。”