化學反應的量子效應

2020-12-13 中國數字科技館

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由於人類存在於溫暖的宏觀尺度中，所以幾乎不能實際體會到量子機制。為了觀察這些機制，物理學家試圖利用雷射冷凍原子，將溫度降至絕對零度以上萬億分之一開爾文的水平。低溫減緩了原子運動，科學家就可以觀察它們所遵循的量子物理規律。但是，想冷凍由多個原子構成的分子卻更加困難。

不知為什麼，處於超低溫的分子往往會偷偷升溫，所以研究人員很難持續追蹤這些分子——這種現象被物理學家稱為「超低溫分子損失」（ultracold molecule loss）。一篇刊登於《自然·物理學》（Nature Physics）的研究揭示了這個現象的具體過程。

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科羅拉多大學博爾德分校的物理學家葉駿（Jun Ye，音譯，並未參與該研究）指出，如果能更好地觀察以及控制超低溫分子，或許可以幫助科學家逐步認識量子世界的機制，但分子的升溫現象卻讓這一過程變得曲折。作為超低溫分子實驗領域的先驅者，葉駿早期觀察到這種現象時其實是在分子經歷化學反應過程中——這顯然更像是化學領域，而不是物理範疇——其中一些分子被加熱了。

劉玉（Yu Liu，音譯，這項研究的共同作者）是哈佛大學的一名研究員，他表示團隊本來計劃自行探索這些反應。但是「我們在反應進程中觀察到的現象，最終為『超冷分子損失』機制給出了答案。」研究人員將分子間的化學反應「慢放」，從而能夠觀察到一種被稱之為「複合態」的反應中間狀態。這是反應物完全轉化為生成物前的一個狀態。由於分子可以通過電磁力與光相互作用，所以團隊決定使用雷射約束分子，防止它們發生逃逸。

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在室溫下，化學反應的複合態幾乎轉瞬即逝無法觀察；而在低溫下，這種狀態的持續時間會增加。但研究人員發現，這種現象也有一定代價。複合態壽命增加後，與束縛它保持原位的雷射的相互作用時間也增加了。而相互作用會增加分子內能，導致它的超低溫狀態發生改變。

認識到這種機制後，物理學家如今試圖避免使用會激發複合態的雷射類型。有意思的是，觀察光子-複合態間相互作用的技術本身也非常有應用前景。史丹福大學化學家南迪尼·穆克吉（Nandini Mukherjee，並未參與這項研究）表示，觀察複合態是研究反應機理時長期追求的目標。

劉玉表示團隊表示，他們希望用雷射完全控制這類反應的過程。胡名廣（Ming-Guang Hu，音譯，這項研究的共同作者，同樣來自哈佛大學）補充道，這個過程或許可以最終說明，量子機制的規則是如何讓超低溫分子反應的過程有別與室溫下的反應。在解決了一個長期以來困擾量子物理學家的謎題後，團隊想進一步解釋更多關於量子化學的機制。

撰文：卡爾梅拉·帕達維奇-卡拉漢（Karmela Padavic-Callaghan）

翻譯：董子晨曦

文章來源：環球科學

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