漫畫|物理學家在絕對零度附近,觀察原子「戀愛」和分子「分手」

為什麼科學家們對超冷量子化學這個新課題感興趣呢？

 

舉個慄子，宇宙環境中自然存在的最低溫度僅比絕對零度高大約3攝氏度，那比這個溫度更低時化學反應怎樣進行呢？這個問題科學家也不清楚。因為要想把分子氣體冷卻到這麼低的溫度，其實非常困難。

 

理論物理學家曾舉了這樣一個例子：分子之間存在一類微弱的量子現象，叫做Feshbach共振。量子物理理論曾經預言，這樣的共振可以多達上百個。但是在常溫或者通常的低溫下，由於溫度還不夠低，分子碰撞的通道會平均化，結果導致這種量子現象在實驗中幾乎一個也觀測不到。

 

然而當將分子氣體的溫度降到超低溫以下(<mK)，分子間只允許以最簡單的通道（S波或P波）進行碰撞，這樣理論分析得到極大簡化。

 

在經典力學看來，當溫度達到絕對零度時，化學反應就不會發生了。但根據量子力學的原理，在絕對零度下，化學反應仍然可以有效的進行。

 

因此，超低溫下分子反應的實驗研究和理論探索，對於發展量子化學理論，以及認識更複雜自然和生命體系中的量子效應是非常有必要的。

 

參考文獻：

1.https://arxiv.org/abs/0809.3920

2.https://arxiv.org/abs/1111.4608

3.J.Rui and et al. Controlled state-to-state atom-exchange reaction in an ultracold atom–dimer mixture, Nature Physics, Vol.13, 699 (2017)

4.白澤，超冷原子分子混合氣中態到態化學反應的觀測。