連發《自然》、《科學》!葉軍團隊製作超冷分子氣體的電開關

2020-12-12 澎湃新聞

什麼樣的研究成果可以拆開到《自然》（Nature）和《科學》（Science）上分別發文？

北京時間12月10日和12月11日，兩份世界頂級科學期刊先後在線發表了美國國家標準與技術局（NIST）物理學家葉軍在超冷分子領域的新成果。

葉軍，1967年出生於上海，美國國家科學院院士，中國科學院外籍院士。他可以說是物理學界最優秀的「鐘錶匠」之一，設計的鍶原子鐘保持著世界最高精度，在比肩宇宙年齡的時間跨度內也誤差不過1秒，有望取代銫原子鐘成為世界新的計時標準。

這次的兩篇論文雖然與原子鐘沒有直接關聯，但卻是基於葉軍團隊在超冷原子/分子領域的長期積累取得的突破。

可以說，這兩項成果其實是同一個成果的上下篇。通過用電場操控分子「蒸發」冷卻，研究人員進而實現了用電場操控分子之間的化學反應速率。

分子「電開關」上篇：製作超冷分子氣體

量子物理學家們都有個共同的願望，就是將亂動的微觀粒子固定在空間中進行精確的觀測和操縱。

所謂的原子鐘，其實就是利用原子中電子能級躍遷時的共振頻率作為精確的時間標準。因此，讓原子「冷靜」下來是減少誤差的必需條件。

在製作鍶原子鐘時，研究團隊將鍶原子冷卻到略高於絕對零度（約-273攝氏度），使得原子變成量子氣體，把原子能量推到最低狀態，稱為量子簡併，從而避免原子間碰撞作用的影響。

那麼，把同樣的思路套到分子上，可以製作出奇異的超冷分子量子氣體嗎？

根據《自然》論文的描述，研究團隊將氣體鉀原子和氣體銣原子裝入薄餅狀的光學晶格中，在垂直反向上將它們緊緊束縛在一起。接著，他們利用磁場和雷射將原子一對對組成分子，多餘的原子被加熱，激發出特定的運動來移除出去。

困於光學晶格中的原子

最終得到的20000個鉀銣分子組成了一團稠密氣體。其中，銣原子帶正電荷，鉀原子帶負電荷，分子就變得像敏感的小指南針，只不過它感應的是電場而非磁場。

這團分子氣體被置入由兩塊玻璃板和四根鎢棒組成的六電極組件的中央。在電場調控下，分子之間產生具有穩定性的排斥作用，抑制了令分子發生化學反應並逃脫晶格舒服的非彈性碰撞，同時催動科學家們想要的彈性相互作用提高了上百倍。

在數百毫秒時間內，水平方向上的電場慢慢打開，讓光學陷阱的強度在一個方向上降低。在這個時間窗內，較熱的分子逃逸出去，剩下的分子通過彈性碰撞調整到較低的溫度。最終，分子團變得越來越穩定、越來越稠密。

NIST新聞稿表示，超冷分子氣體可能在量子信息領域有多種實際用途，包括利用極性分子作為量子比特進行計算，以及可能用於製作分子鐘。

分子「電開關」下篇：調節化學反應速率

在《科學》論文中，葉軍團隊則詳述了這種電開關對於分子化學反應速率的影響。通過電場誘導超冷氣體中分子的遠程相互作用，影響分子碰撞，科學家們可以顯著地提高或者降低化學反應速率。

如前所述，超冷氣體分子被囚禁在薄餅狀的光學晶格內，但在每個「薄餅」內部可以自己旋轉，也可以互相碰撞，就像在冰場上滑冰。

如果這些分子電荷相反的頭尾相撞，就會導致化學反應，迅速耗盡氣體。但如果它們是並排相撞，就會互相排斥，從而很難接近到發生化學反應的程度。那麼，如何能讓分子們相互排斥呢？

所幸的是，和溫暖氣體分子隨機的運動碰撞不同，這些超冷氣體分子的運動遵循一定的量子力學軌跡。

在改變電場的過程中，研究人員發現了一種特殊的共振現象，兩個碰撞、旋轉的分子可以交換旋轉，使得一個分子轉速加倍，而另一個停止旋轉。如此以來，碰撞的性質被完全改變，分子之間迅速轉換到排斥狀態。

在共振點附近，葉軍團隊發現僅僅將電場強度調節幾個百分點，就可以導致化學反應速率近千倍的變化。

NIST新聞稿表示，這種受電開關控制的超冷分子氣體可能用於設計新的化學物質，並在量子信息領域有多種實用潛力，包括利用極性分子作為量子比特進行計算，以及用於製作分子鐘。

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