美媒：科学家合成“最冷大分子”

本文转自：参考消息

参考消息网4月2日报道 据美国趣味科学网站3月29日报道，科学家最近合成了一种前所未见的四原子分子——它是迄今合成的最冷此类分子。

这种奇怪的分子呈钠-钾结构，拥有超长化学键。研究人员在134纳开尔文——仅比绝对零度(零下273.15摄氏度)高1340亿分之一摄氏度——的温度下创造出这种分子。1月31日，他们在英国《自然》周刊上描述了这种超冷物质。

要理解量子行为，超冷系统至关重要，因为量子力学(控制亚原子粒子的法则)在低温条件下占支配地位。这些系统也让想要进行量子模拟的科学家得以精确控制粒子的能量。例如，研究由超冷分子所构成系统中的量子行为，有朝一日或许能帮助科学家确定制造高温超导体所需的材料特性。

一个固有的两难之处在于，过于简单的超冷系统可能无法捕捉到令人感兴趣的量子系统中的全阵列行为。但是，若增加复杂性，设计一个有效的实验会变得更为困难。

荷兰格罗宁根大学的量子光学研究员罗曼·鲍泽对趣味科学网站记者说：“通常，人们使用原子或离子。使它们在一定程度上可控的是如下事实：量子态的数量相对有限。但是，如果我画出一个分子的所有量子态，就会将一本厚厚的书填满。其量子态要多得多。”

所有这些额外的量子态引出了更有趣的量子问题，但也使分子难以冷却。

为解决这个问题，中国科学院物理学家石弢和国际合作者在上述新研究中，采用多步骤冷却程序(以激光冷却为第一步)来合成打破纪录的分子。

这种冷却方法利用了从四面八方射向一个运动中原子的激光束。该原子吸收光，进入激发量子态，然后立即释放能量、回到基态。

但是，由于原子相对于激光束的运动方式(被称为多普勒效应)，原子释放的能量要多于其吸收的能量，进而令自己冷却下来。

鲍泽说：“对分子使用这种技术的问题在于，存在不止一种基态。你可能需要数以千计的激光束，这需要在技术上付出太多努力。”

然而，超冷原子是构建超冷分子的绝佳起点。石弢的研究团队利用一种超冷钠和钾原子的混合物，将这些单粒子弱结合成双原子钠钾分子。

这是技术难题真正出现之处。鲍泽说：“将冷原子结合起来的问题在于，你这样做时会加热它们。因此，你之后需要另一种冷却技术：蒸发冷却。”

由于无人能完全理解的原因，在这种冷却条件下，分子会结合在一起，实验人员无法再精确地控制它们。这一特殊挑战多年来一直困扰着该领域的研究人员。

但是，通过发射得到精确控制的微波，石弢团队克服了双原子钠钾分子的结块问题，将其冷却至134纳开尔文。

在让两个钠钾分子弱结合、形成四原子分子的过程中，微波也具备独特优势。

鲍泽说：“如果你把微波调得恰到好处，那么你将获得一种在短距离内(令两个分子)互相排斥、在较远距离内(令其)互相吸引的势能。”

因此，这种首次合成的四原子分子的中心键比钠原子与钾原子之间的键长1000倍，其诞生时的温度也比此前任何四原子分子都要低得多。

鲍泽说，新发现令人兴奋，因为它们“最终将把我们带到目前在理论上尚不了解的有趣地方——比如高温超导体和制造更好的锂电池所需的材料”。（编译/裘芳）