原子間、分子間和物體表面間的範德華力以各種不同方式出現在日常生活中。例如,蜘蛛和壁虎就是依靠範德華力才能沿著平滑的牆壁向上爬,我們體內的蛋白質也是因為範德華力的存在才會摺疊成複雜的形狀。
範德華力是以荷蘭科學家約翰內斯•迪德裡克•範德華的名字命名的,他在1873年第一次提出了範德華力這個概念用以解釋氣體的行為。這種力非常微弱,只有當原子或者分子十分靠近的時候才有意義。原子電子云的漲落使得原子具有瞬時電偶極矩,從而誘導附近的原子產生電偶極矩,結果會產生相互吸引的偶極間相互作用。
間接測量
對原子間範德華力的間接測量已有非常多的研究成果,例如分析宏觀物體間的淨力來獲得經驗值,或者利用光譜學來分析雙原子分子中兩個原子間的長程作用力。但在這之前一直缺乏直接測量範德華力的相關研究。
這項最新的研究是由帕萊佐的查爾斯•法布裡實驗室(Laboratoire Charles Fabry, LCF)和裡爾大學(University of Lille)的研究人員共同完成的。「我們所做的是,直接測量兩個位於可控距離內的獨立原子間的範德華力,原子間的距離由實驗人員設定。據我們所知這是首次實現直接測量,」LCF團隊成員蒂埃裡•拉哈耶(Thierry Lahaye)說。
在測量原子間作用力時,控制兩個普通原子之間的距離是極其困難的,因為相關的距離非常小。研究團隊利用裡德伯原子來解決這個問題,它們比普通原子大很多。裡德伯原子中有一個電子處於高激發態,這意味著它們有一個很大的瞬時電偶極矩,因此即使處於相對較遠的距離,也會存在較大的範德華力。它們同時還有某些獨特的性質,使得它們在實驗室中可以被精確控制。
原子對
實驗首先利用兩束高度聚焦的雷射束分別捕獲兩個銣原子,並將原子分隔開幾微米的距離。然後將一束特定波長的雷射束照射在原子上,使得體系在基態和一個或兩個裡德伯原子之間振蕩。研究團隊發現,當條件合適時,體系將在基態和一對裡德伯原子之間振蕩,此時兩個原子分別在兩束雷射的焦點上。通過測量這些振蕩,研究人員計算出了兩個裡德伯原子之間的範德華力。
研究人員通過調整捕獲雷射束,可以將裡德伯原子靠近或拉遠。當研究人員改變原子之間的距離R時,作用力表現出與R的6次方呈反比的變化規律——這一結果和預期的範德華力完全一樣。
除了測量範德華力,研究團隊還發現兩個相互作用的裡德伯原子的量子態演化是完全相干的。LFC團隊成員安託萬•布拉維斯(Antoine Browaeys)稱,這是「在原子物理中從未見到過的」。