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接近绝对零度,分子会"死亡"吗?
来源 : 科学之家   发布时间 : 2015-06-18 10:48

图片说明:麻省理工学院(Massachu-setts Institute of Technology)的研究人员已经成功地将钠钾(钠钾共晶合金)分子气体冷却至500毫微开尔文。在附图中,冷冻球体代表钠钾分子与冰合并在一起:左边的小球体代表一个钠原子,右边的大球体是一个钾原子。图片来源:Jose-Luis Olivares/MIT


我们周围的空气如同一条混乱的高速公路,分子在其中穿梭,并以每小时数百英里的速度相互碰撞。在这种环境温度下,不稳定的分子行为是很正常的。

但科学家一直认为,如果温度下降到接近绝对零度,分子会停止运动并凝聚成一个整体。这种更加有序的分子运动会形成非常奇怪、独特的物质状态,而这种状态在物理世界中是从未见到过的。

麻省理工的研究人员已经成功地将钠钾(钠钾共晶合金)分子气体冷却至500毫微开尔文,略高于绝对零度,比星际空间冷一百万倍。研究人员发现,超冷分子相对来说处于长期稳定状态,可以避免与其他分子的碰撞。分子也表现出了很强的偶极矩,这是由分子内电荷失衡造成的,类似于远距离分子之间的磁力。

麻省理工学院物理学教授、电子研究实验室首席研究员Martin Zwierlein表示,尽管分子通常极具能量,能以惊人的速度在空间内振动、旋转和移动。然而超冷分子组实际上却是静止的,在绝对最低振动和转动状态时,会被以每秒几厘米的平均速度蒸馏然后冷却。

Zwierlein表示:“我们与在量子力学的分子运动中起着很大作用的温度十分接近。所以这些分子将不再像台球一样乱跑,而是按照量子力学波的形式运动。通过超冷分子,我们可以得到一个各个方面都不同的物质状态,如超流体晶体。超流体晶体是一种没有摩擦的水晶。这一发现已被预测但目前为止还没有被观察到。也许在不久的将来我们就会看到这些影响,真是振奋人心!”

温度降低7500开尔文

每一个分子都是由独立的原子组成的,原子相互连接又形成分子结构。最简单的分子就像一个哑铃,由两个以电磁力连接的原子构成。Zwierlein的研究小组试图创建钠钾的超冷分子,每个分子都由单独的钠原子和钾原子构成。

图片说明:研究人员创建了钠钾的超冷分子从而将其振动和转动力量冷却到最低值。图片来源:Jee Woo Park and Sebastian Will

然而,由于在震动、旋转方面的自由度,直接冷却分子变得非常困难。原子结构相对简单,更容易冷却。首先麻省理工研究成员使用激光和蒸发冷却技术冷却单独的钠和钾原子,使其接近绝对零度。然后应用磁场将原子聚集成超冷分子。这一原理就是所谓的“费什巴赫共振”(“Feshbach resonance”), 是以麻省理工物理学家Herman Feshbach的名字命名的。

Zwierlein表示:“这就像调收音机,使其与某些频道发生共振。这些原子开始愉快地震动从而连接形成受约束的分子。”

连接效果相对较弱就产生了Zwierlein所说的“蓬松”分子。由于原子间还保持着微弱的连接,它们依然能震动。为了使原子距离更近形成更牢固的分子,研究人员采用了2008年科罗拉多大学(University of Colorado)研究小组使用的钾铷(KRb)分子以及因斯布鲁克大学(University of Innsbruck)使用的非极性铯(Ce2)分子。

在这个技术中,新创建的钠钾分子受到一对激光照射。不同的激光频率使分子的初始能量、震动状态以及最低的震动状态不同。通过低能量激光的吸收和高能量激光光束的发射,分子失去了其所有的可用振动能量。

通过这种方法,麻省理工的研究组能够降低分子的最低振动和旋转状态,产生巨大的能量衰减。

Zwierlein说:“用温度术语表示,温度下降了7500开尔文。”

化学性质稳定

在他们的早期工作中,科罗拉多研究组观察到超冷铷钾分子的一个重大缺点:它们会发生化学反应,在与其他分子发生碰撞时会分解。研究小组随后以分子晶体的光来抑制这样的化学反应。

Zwierlein的研究团队选择创建超冷钠钾分子,因为这种分子化学性质稳定,并且能自然抵制活性分子的碰撞。

Zwierlein表示:“两个钾铷分子碰撞更有利于钾原子和铷原子配对。这从侧面证明,我们的钠钾分子不会发生这种反应。”

在实验中,Park、 Will和 Zwierlein观察到他们的分子气体确实稳定,并且寿命相对较长,能持续2.5秒。

Zwierlein说到:“在分子会产生化学反应的情况下,人们没有足够的时间在散装样品中研究这些分子:分子在冷却至可观察的特殊状态前就会分解。在我们的研究中,我们希望分子的这些特殊状态能一直保持。”

通过冷却原子至超低温度并形成分子后,该小组成功地创建了一个超冷分子气体,其温度比之前制冷技术下的分子低1000多倍。

为了能观察物质的特殊状态,Zwierlein表示分子需要进一步冷却,但不需要冻结。500开尔文温度下的结果已经很不可思议,结果也令人欣喜。当比500卡尔文还冷10倍的制冷技术出现时,胜利的号角就会吹响。(科学之家,译审:Y Chen)

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