新研制出的“制冷劑”可將分子過冷至極低溫度

（文章來源：科技報(bào)告與資訊）

多年來，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)了過冷原子，但對(duì)行為和結(jié)構(gòu)更復(fù)雜的分子來說，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爾文的2000億分之一，僅比絕對(duì)零度高一點(diǎn)。他們通過應(yīng)用一種稱為碰撞冷卻的技術(shù)來做到這一點(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，研究人員試圖通過碰撞冷卻來實(shí)現(xiàn)不同分子的過冷，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微開爾文冷卻到220納米開爾文。

“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，“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爾文溫度。

過去，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，當(dāng)他們?cè)噲D通過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：“鈉鋰分子與人們嘗試過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：“然后，我們使冰箱變得越來越冷?！彼傅氖菄@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2000億分之一開爾文?！?/p>

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：“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)月的工作來優(yōu)化其設(shè)置，以及購買新的激光器以集成到其設(shè)置中。

Jamison說：“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）