连发《自然》、《科学》!叶军团队制作超冷分子气体的电开关

澎湃新闻记者 虞涵棋

2020-12-11 18:41 来源:澎湃新闻

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什么样的研究成果可以拆开到《自然》(Nature)和《科学》(Science)上分别发文?
北京时间12月10日和12月11日,两份世界顶级科学期刊先后在线发表了美国国家标准与技术局(NIST)物理学家叶军在超冷分子领域的新成果。
叶军,1967年出生于上海,美国国家科学院院士,中国科学院外籍院士。他可以说是物理学界最优秀的“钟表匠”之一,设计的锶原子钟保持着世界最高精度,在比肩宇宙年龄的时间跨度内也误差不过1秒,有望取代铯原子钟成为世界新的计时标准。
这次的两篇论文虽然与原子钟没有直接关联,但却是基于叶军团队在超冷原子/分子领域的长期积累取得的突破。
可以说,这两项成果其实是同一个成果的上下篇。通过用电场操控分子“蒸发”冷却,研究人员进而实现了用电场操控分子之间的化学反应速率。
分子“电开关”上篇:制作超冷分子气体
量子物理学家们都有个共同的愿望,就是将乱动的微观粒子固定在空间中进行精确的观测和操纵。
所谓的原子钟,其实就是利用原子中电子能级跃迁时的共振频率作为精确的时间标准。因此,让原子“冷静”下来是减少误差的必需条件。
在制作锶原子钟时,研究团队将锶原子冷却到略高于绝对零度(约-273摄氏度),使得原子变成量子气体,把原子能量推到最低状态,称为量子简并,从而避免原子间碰撞作用的影响。
那么,把同样的思路套到分子上,可以制作出奇异的超冷分子量子气体吗?
根据《自然》论文的描述,研究团队将气体钾原子和气体铷原子装入薄饼状的光学晶格中,在垂直反向上将它们紧紧束缚在一起。接着,他们利用磁场和激光将原子一对对组成分子,多余的原子被加热,激发出特定的运动来移除出去。困于光学晶格中的原子

困于光学晶格中的原子

最终得到的20000个钾铷分子组成了一团稠密气体。其中,铷原子带正电荷,钾原子带负电荷,分子就变得像敏感的小指南针,只不过它感应的是电场而非磁场。
这团分子气体被置入由两块玻璃板和四根钨棒组成的六电极组件的中央。在电场调控下,分子之间产生具有稳定性的排斥作用,抑制了令分子发生化学反应并逃脱晶格舒服的非弹性碰撞,同时催动科学家们想要的弹性相互作用提高了上百倍。
在数百毫秒时间内,水平方向上的电场慢慢打开,让光学陷阱的强度在一个方向上降低。在这个时间窗内,较热的分子逃逸出去,剩下的分子通过弹性碰撞调整到较低的温度。最终,分子团变得越来越稳定、越来越稠密。
NIST新闻稿表示,超冷分子气体可能在量子信息领域有多种实际用途,包括利用极性分子作为量子比特进行计算,以及可能用于制作分子钟。
分子“电开关”下篇:调节化学反应速率
在《科学》论文中,叶军团队则详述了这种电开关对于分子化学反应速率的影响。通过电场诱导超冷气体中分子的远程相互作用,影响分子碰撞,科学家们可以显著地提高或者降低化学反应速率。
如前所述,超冷气体分子被囚禁在薄饼状的光学晶格内,但在每个“薄饼”内部可以自己旋转,也可以互相碰撞,就像在冰场上滑冰。
如果这些分子电荷相反的头尾相撞,就会导致化学反应,迅速耗尽气体。但如果它们是并排相撞,就会互相排斥,从而很难接近到发生化学反应的程度。那么,如何能让分子们相互排斥呢?
所幸的是,和温暖气体分子随机的运动碰撞不同,这些超冷气体分子的运动遵循一定的量子力学轨迹。
在改变电场的过程中,研究人员发现了一种特殊的共振现象,两个碰撞、旋转的分子可以交换旋转,使得一个分子转速加倍,而另一个停止旋转。如此以来,碰撞的性质被完全改变,分子之间迅速转换到排斥状态。
在共振点附近,叶军团队发现仅仅将电场强度调节几个百分点,就可以导致化学反应速率近千倍的变化。
NIST新闻稿表示,这种受电开关控制的超冷分子气体可能用于设计新的化学物质,并在量子信息领域有多种实用潜力,包括利用极性分子作为量子比特进行计算,以及用于制作分子钟。
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责任编辑:李跃群
校对:栾梦
澎湃新闻报料:4009-20-4009   澎湃新闻,未经授权不得转载
关键词 >> 超冷原子

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