物理學(xué)家首次觀察到分子中罕見(jiàn)的共振

如果她打出恰到好處的音調(diào)，歌手可以打碎酒杯。原因是共鳴。雖然玻璃可能會(huì)響應(yīng)大多數(shù)聲學(xué)音調(diào)而輕微振動(dòng)，但與材料自身固有頻率共振的音高會(huì)使其振動(dòng)超速，導(dǎo)致玻璃破碎。

共振也發(fā)生在原子和分子的小得多的尺度上。當(dāng)粒子發(fā)生化學(xué)反應(yīng)時(shí)，部分原因是由于特定條件與粒子產(chǎn)生共振，從而驅(qū)動(dòng)它們進(jìn)行化學(xué)連接。但是原子和分子一直在運(yùn)動(dòng)，棲息在振動(dòng)和旋轉(zhuǎn)狀態(tài)的模糊中。找出最終觸發(fā)分子反應(yīng)的確切共振狀態(tài)幾乎是不可能的。

麻省理工學(xué)院的物理學(xué)家可能已經(jīng)破解了這個(gè)謎團(tuán)的一部分，今天發(fā)表在《自然》雜志上的一項(xiàng)新研究。該團(tuán)隊(duì)報(bào)告說(shuō)，他們首次觀察到超冷分子碰撞的共振。

他們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)暴露于非常特定的磁場(chǎng)時(shí)，一團(tuán)過(guò)冷的鈉鋰(NaLi)分子消失的速度比正常快100倍。分子的快速消失表明磁場(chǎng)將粒子調(diào)諧成共振，促使它們比正常情況下更快地做出反應(yīng)。

這些發(fā)現(xiàn)揭示了驅(qū)動(dòng)分子發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的神秘力量。他們還認(rèn)為，科學(xué)家有朝一日可以利用粒子的自然共振來(lái)引導(dǎo)和控制某些化學(xué)反應(yīng)。

“這是第一次看到兩個(gè)超冷分子之間的共振，”研究作者，麻省理工學(xué)院約翰·D·麥克阿瑟物理學(xué)教授沃爾夫?qū)?middot;凱特爾說(shuō)。“有人認(rèn)為分子是如此復(fù)雜，以至于它們就像一片茂密的森林，在那里你無(wú)法識(shí)別一個(gè)共振。但是我們發(fā)現(xiàn)一棵大樹(shù)突出了100倍。我們觀察到了一些完全出乎意料的事情。

Ketterle的共同作者包括主要作者和麻省理工學(xué)院研究生Juliana Park，研究生Yu-Kun Lu，前麻省理工學(xué)院博士后Alan Jamison，目前在滑鐵盧大學(xué)，以及內(nèi)華達(dá)大學(xué)的Timur Tscherbul。

中間的謎團(tuán)

在分子云中，碰撞不斷發(fā)生。粒子可能會(huì)像狂熱的臺(tái)球一樣相互撞擊，或者在短暫但關(guān)鍵的狀態(tài)下粘在一起，稱(chēng)為“中間復(fù)合物”，然后引發(fā)反應(yīng)，將粒子轉(zhuǎn)化為新的化學(xué)結(jié)構(gòu)。

“當(dāng)兩個(gè)分子碰撞時(shí)，大多數(shù)時(shí)候它們不會(huì)達(dá)到中間狀態(tài)，”賈米森說(shuō)。“但是當(dāng)他們處于共振狀態(tài)時(shí)，進(jìn)入這種狀態(tài)的比率會(huì)急劇上升。

“中間復(fù)合物是所有化學(xué)背后的奧秘，”Ketterle補(bǔ)充道。“通常，反應(yīng)物和化學(xué)反應(yīng)的產(chǎn)物是已知的，但不知道一個(gè)如何導(dǎo)致另一個(gè)。了解分子的共振可以給我們這個(gè)神秘的中間狀態(tài)的指紋。

Ketterle的小組一直在尋找過(guò)冷的原子和分子共振的跡象，溫度略高于絕對(duì)零度。這種超冷條件抑制了粒子的隨機(jī)、溫度驅(qū)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)，使科學(xué)家有更好的機(jī)會(huì)識(shí)別任何更微妙的共振跡象。

1998年，凱特爾首次在超冷原子中觀察到這種共振。他觀察到，當(dāng)對(duì)過(guò)冷的鈉原子施加非常特定的磁場(chǎng)時(shí)，該磁場(chǎng)增強(qiáng)了原子相互散射的方式，這種效應(yīng)被稱(chēng)為Feshbach共振。從那以后，他和其他人一直在涉及原子和分子的碰撞中尋找類(lèi)似的共振。

“分子比原子復(fù)雜得多，”Ketterle說(shuō)。“它們有許多不同的振動(dòng)和旋轉(zhuǎn)狀態(tài)。因此，目前尚不清楚分子是否會(huì)顯示出共振。

大海撈針

幾年前，當(dāng)時(shí)在凱特爾實(shí)驗(yàn)室擔(dān)任博士后的賈米森提出了一個(gè)類(lèi)似的實(shí)驗(yàn)，看看是否可以在原子和分子的混合物中觀察到共振的跡象，冷卻到絕對(duì)零度以上百萬(wàn)分之一度。通過(guò)改變外部磁場(chǎng)，他們發(fā)現(xiàn)他們確實(shí)可以在鈉原子和鈉鋰分子中拾取幾次共振，他們?nèi)ツ陥?bào)道了這一點(diǎn)。

然后，正如該團(tuán)隊(duì)在當(dāng)前研究中報(bào)告的那樣，研究生Park仔細(xì)研究了數(shù)據(jù)。

“她發(fā)現(xiàn)其中一個(gè)共振不涉及原子，”凱特爾說(shuō)。“她用激光吹走了原子，一個(gè)共振仍然存在，非常尖銳，只涉及分子。

Park發(fā)現(xiàn)這些分子似乎消失了 - 這是粒子發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的跡象 - 比它們暴露于非常特定的磁場(chǎng)時(shí)要快得多。

在他們最初的實(shí)驗(yàn)中，Jamison及其同事施加了一個(gè)磁場(chǎng)，他們?cè)?高斯的寬范圍內(nèi)變化。Park發(fā)現(xiàn)鈉鋰分子突然消失了，比正常速度快000倍，在這個(gè)磁性范圍的一小部分內(nèi)，大約是100毫高斯。這相當(dāng)于一根人類(lèi)頭發(fā)的寬度與一米長(zhǎng)的棍子相比。

“需要仔細(xì)測(cè)量才能在這個(gè)大海撈針中找到針，”Park說(shuō)。“但我們使用了一種系統(tǒng)的策略來(lái)放大這種新的共鳴。

最后，研究小組觀察到一個(gè)強(qiáng)烈的信號(hào)，即這個(gè)特殊的場(chǎng)與分子產(chǎn)生共振。這種效應(yīng)增強(qiáng)了顆粒在短暫的中間復(fù)合物中結(jié)合的機(jī)會(huì)，然后觸發(fā)了使分子消失的反應(yīng)。

總體而言，這一發(fā)現(xiàn)提供了對(duì)分子動(dòng)力學(xué)和化學(xué)的更深入理解。雖然該團(tuán)隊(duì)預(yù)計(jì)科學(xué)家無(wú)法在有機(jī)化學(xué)水平上刺激共振并引導(dǎo)反應(yīng)，但有一天有可能在量子尺度上做到這一點(diǎn)。

“量子科學(xué)的主題之一是研究日益復(fù)雜的系統(tǒng)，特別是當(dāng)量子控制可能即將到來(lái)時(shí)，”哈佛大學(xué)物理學(xué)教授約翰多伊爾說(shuō)，他沒(méi)有參與該小組的研究。“這種共振首先出現(xiàn)在簡(jiǎn)單的原子中，然后是更復(fù)雜的原子，導(dǎo)致了原子物理學(xué)的驚人進(jìn)步。既然這在分子中已經(jīng)看到了，我們應(yīng)該首先詳細(xì)了解它，然后讓想象力徘徊并思考它可能有什么好處，也許構(gòu)建更大的超冷分子，也許研究有趣的物質(zhì)狀態(tài)。

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