绝对零度下分子运动戛然而止 现罕见奇特物质状态

据科学日报报道,环绕我们的空气是疾驰穿越空间的分子的混乱高速公路,它们不断的以几百英里每小时的速度彼此碰撞。在环境温度里这样不稳定的分子行为是非常正常的。然而科学家们一直怀疑如果温度骤降到接近绝对零度,分子将戛然停止,个体的混乱运动将终止,转为表现为一个整体。这种更为有序的分子行为将形成非常奇特、古怪的物质状态,一种从未在物理世界观察到的状态。

钠钾气体(NaK)的分子冷却至接近500毫微开尔文的温度——只略微高于绝对零度

现在美国麻省理工学院的实验物理学家成功的将钠钾气体(NaK)的分子冷却至接近500毫微开尔文的温度——只略微高于绝对零度,大约比星际空间温度冷100万倍。研究人员发现这种超冷分子其实相对长寿和稳定,能够抵抗与其它分子的活跃碰撞。这些分子还表现出非常强的偶极矩——也就是分子内电荷的强烈不平衡性,这些电荷可以调解长距离分子之间类似磁的力。

麻省理工学院的物理学家教授、MIT电子研究实验室的首席调查员马丁·茨维莱因(Martin Zwierlein)表示虽然分子一般都是充满能量,以狂热的节奏振动、旋转和在空间里移动的,但是他们产生的超冷分子却异常静止——它冷却到移动平均速度只有几厘米每秒,且几乎到达最低的振动和旋转状态。

“我们几乎达到了一个临界温度,也即量子力学将在分子运动中起着巨大的作用,” 茨维莱因这样说道。“因此这些分子将不再像撞球一样到处乱撞,而是像量子力学物质波一样移动。” 而利用超冷分子你可以获得一系列不同的物质状态,例如超流体晶体,后者是一种没有摩擦的晶体,这是非常古怪的。这种物质状态被预测存在却从未被观察到。我们距离观察到这些效应或许不远了,所以我们都感到非常兴奋。

茨维莱因与研究生朴智武(Jee Woo Park)和博士后研究生塞巴斯蒂安·威尔(Sebastian Will)——他们都是麻省理工学院-哈佛超冷原子中心的成员——将他们的研究结果发表在期刊《物理评论快报》上。

抽走7500开尔文

每一个分子都是由单个原子组成,这些原子彼此连结形成分子结构。最简单的分子——结构类似哑铃——是由两个原子组成,后者由电磁力连接。茨维莱因的研究小组旨在创造纳钾的超冷分子,每一个都由单个钠原子和钾原子组成。

然而,由于它们很多自由度——平移、振动和旋转——这使得直接冷却分子非常困难。而原子结构相对简单,因此冷却它们更为容易。第一步,麻省理工学院的科研小组使用了激光和蒸发冷却将单个钠原子和钾原子云冷却至接近绝对零度。然后它们将原子黏在一起形成超冷分子,并施加一个磁场促进原子结合——这个机制名为费希巴赫共振,它是以麻省理工学院的物理学家赫曼·费希巴赫(Herman Feshbach)为名。

“这就像调收音机,使得它能够与某些频道共振,” 茨维莱因这样说道。 “这些分子开始愉快的振动,并形成了受约束的分子。”产生的结合力非常弱,从而创造出仍略微振动的“蓬松”分子,因为每一个原子都是通过遥远、稀薄的连接彼此约束。为了让原子彼此接近从而创造一个更强更稳定的分子,研究小组使用了一种2008年首次提出的技术,它是由美国科罗拉多大学的科研小组(针对钾铷分子)和奥地利因斯布鲁克大学的科研小组(针对非极性铯分子)提出的。

利用这种技术,新创造的钠钾分子暴露在一对激光下,两者之间的频率差异恰好匹配分子最初高度振动状态与可能最低的振动状态之间的能量差异。通过吸收低能量激光,以及放射高能量激光,分子丢失了它们所有的振动能量。利用这种方法麻省理工学院的研究小组将分子降低到最低的振动和旋转状态,这导致能量的骤降。“从温度角度看,我们抽走了7500开尔文。” 茨维莱因解释道。

化学稳定

在早期工作里,科罗拉多大学的科研小组观察到他们的超冷钾铷分子存在一个重大缺陷:这些超冷钾铷分子化学性质不活泼,且在与其它分子碰撞时会分离。研究小组随后将分子限制在光晶体里以阻止这种化学反应。

而茨维莱因的小组选择创造钠钾超冷分子,因为这种分子化学性质稳定,能够自然抵抗分子撞击。“当两个钾铷分子碰撞时,从能量角度看两个钾原子更容易成对,两个铷原子更容易成对,但利用我们的钠钾分子,这种反应并不会出现任何能量匹配。这一现象根本不会发生。”

在他们的实验里,朴、威尔和茨维莱因观察到他们的分子气体非常稳定,具有较长的寿命,大约能够持续2.5秒。“当分子化学性质不活波时,研究人员根本没有时间研究这些样本,因为它们在能够冷却到出现有趣状态之前就已经衰变。” 茨维莱因解释道。“但在我们的例子里,我们希望分子寿命足够长从而揭示这些新颖的物质状态。”

通过首先冷却原子至超低温度再形成分子,研究小组成功的创造了一个超冷气体分子,它比直接冷却方法可以获得的温度要冷1000倍。想要观察到物质的奇特状态,茨维莱因表示分子必须进一步冷却。“现在我们处于500毫微开尔文的温度,这已经非常了不起,我们非常开心。但如果能够再冷十倍,我们就可以奏响胜利的号角。”

这项研究得到了美国自然科学基金会、美国空军科研办公室、美国陆军研究办公室和戴维和露西帕卡德基金会的部分资金支持。(编译/严炎刘星)

发表评论

您的电子邮箱地址不会被公开。 必填项已用*标注

深色 浅色