新研制出的“制冷劑”可將分子過(guò)冷至極低溫度

（文章來(lái)源：科技報(bào)告與資訊）

多年來(lái)，科學(xué)家一直在尋找將分子冷卻至超低溫度的方法，此時(shí)分子運(yùn)動(dòng)緩慢，從而使科學(xué)家能夠精確控制其量子行為。這可能使研究人員能夠?qū)⒎肿佑米鲝?fù)雜的位進(jìn)行量子計(jì)算，從而像微小的旋鈕一樣調(diào)節(jié)單個(gè)分子，一次執(zhí)行多個(gè)計(jì)算流。

盡管科學(xué)家已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了過(guò)冷原子，但對(duì)行為和結(jié)構(gòu)更復(fù)雜的分子來(lái)說(shuō)，這是更大的挑戰(zhàn)。

現(xiàn)在，麻省理工學(xué)院的物理學(xué)家已經(jīng)找到了一種方法，可以將鈉鋰分子冷卻到開(kāi)爾文的2000億分之一，僅比絕對(duì)零度高一點(diǎn)。他們通過(guò)應(yīng)用一種稱為碰撞冷卻的技術(shù)來(lái)做到這一點(diǎn)，在該技術(shù)中，他們將鈉鋰分子浸入鈉原子甚至更冷的云中。所述超冷原子充當(dāng)更進(jìn)一步冷卻分子的制冷劑。

碰撞冷卻是用于使用其他較冷原子冷卻原子的標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)。十多年來(lái)，研究人員試圖通過(guò)碰撞冷卻來(lái)實(shí)現(xiàn)不同分子的過(guò)冷，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當(dāng)分子與原子碰撞時(shí)，它們交換能量的方式是使分子在此過(guò)程中被加熱或破壞。這是“不良”的碰撞。

在他們自己的實(shí)驗(yàn)中，麻省理工學(xué)院的研究人員發(fā)現(xiàn)，如果讓鈉鋰分子和鈉原子以相同的方式旋轉(zhuǎn)，它們可以避免自毀，而發(fā)生“良好”的碰撞，使原子以熱的形式帶走分子能量。該團(tuán)隊(duì)使用精確的磁場(chǎng)控制和復(fù)雜的激光系統(tǒng)來(lái)編排分子的自旋和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。結(jié)果，原子-分子混合物具有較高的“良好”碰撞比率，并從2微開(kāi)爾文冷卻到220納米開(kāi)爾文。

“碰撞冷卻一直是冷卻原子的主力軍，”麻省理工學(xué)院John D. Arthur教授說(shuō)，“我不敢相信我們的方案會(huì)奏效，但是由于我們不確定，我們必須嘗試一下。我們現(xiàn)在知道它可以冷卻鈉鋰分子。它是否適用于其他種類的分子仍然待觀察?！?/p>

他們的發(fā)現(xiàn)發(fā)表在《Nature》雜志上，標(biāo)志著研究人員首次成功地使用碰撞冷卻將分子冷卻至納米開(kāi)爾文溫度。

過(guò)去，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，當(dāng)他們?cè)噲D通過(guò)用更冷的原子包圍分子將分子冷卻至超冷溫度時(shí)，粒子發(fā)生碰撞，從而使原子賦予了分子更多的能量或旋轉(zhuǎn)，使它們飛離陷阱，或者通過(guò)化學(xué)反應(yīng)一起自我毀滅。麻省理工學(xué)院的研究人員想知道，具有相同自旋的分子和原子是否可以避免這種影響，并因此保持超冷和穩(wěn)定。他們希望用鈉鋰來(lái)測(cè)試他們的想法，鈉鋰是Ketterle小組定期進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的一種“ diadiamic”分子，由一個(gè)鋰和一個(gè)鈉原子組成。

Jamison說(shuō)：“鈉鋰分子與人們嘗試過(guò)的其他分子有很大的不同。許多人認(rèn)為這些差異將使冷卻工作的可能性降低。但是，我們感到這些差異可能是一種優(yōu)勢(shì)，而不是有害?！毖芯咳藛T對(duì)一個(gè)由20多個(gè)激光束和各種磁場(chǎng)組成的系統(tǒng)進(jìn)行了微調(diào)，以在真空室內(nèi)將鈉和鋰的原子俘獲并冷卻，冷卻至大約2微開(kāi)爾文，這一溫度對(duì)于其結(jié)合成鈉鋰分子是最優(yōu)的。

一旦研究人員能夠產(chǎn)生足夠的分子，他們就會(huì)發(fā)出特定頻率和偏振的激光束，以控制分子的量子態(tài)，并仔細(xì)調(diào)諧微波場(chǎng)，使原子以與分子相同的方式旋轉(zhuǎn)。Jamison說(shuō)：“然后，我們使冰箱變得越來(lái)越冷。”他指的是圍繞新形成的分子云的原子?！拔覀兘档土瞬东@激光器的功率，使光阱變得越來(lái)越松散，這使原子的溫度下降，并使分子進(jìn)一步冷卻至2000億分之一開(kāi)爾文。”

該小組觀察到這些分子能夠在這些超冷溫度下停留長(zhǎng)達(dá)一秒鐘。Ketterle說(shuō)：“在我們這個(gè)世界上，一秒鐘很長(zhǎng)。您想要對(duì)這些分子進(jìn)行的工作是量子計(jì)算和探索新材料，所有這些都可以在不到一秒鐘的時(shí)間內(nèi)完成?！?/p>

如果研究小組能使鈉鋰分子的溫度比已達(dá)到的溫度低五倍，那么它們將達(dá)到所謂的量子簡(jiǎn)并狀態(tài)，其中單個(gè)分子變得難以區(qū)分，并且其集體行為受量子力學(xué)控制。Jamison和他的同事對(duì)如何實(shí)現(xiàn)此目標(biāo)有一些想法，這將涉及數(shù)月的工作來(lái)優(yōu)化其設(shè)置，以及購(gòu)買新的激光器以集成到其設(shè)置中。

Jamison說(shuō)：“我們的工作將引起我們社區(qū)的討論，為什么碰撞冷卻對(duì)我們有用，而不對(duì)其他人有用。也許我們很快就會(huì)預(yù)測(cè)到如何以這種方式冷卻其他分子?！?br /> （責(zé)任編輯：fqj）