新浪科技综合■消失的分子新浪科技综合2020-07-29 11:41:030阅
【新浪科技综合■消失的分子新浪科技综合2020-07-29 11:41:030阅】来源：原理
或许很多人都听过盲人与大象的寓言故事：三个盲人第一次遇见大象 ， 他们可以触碰大象的鼻子、耳朵、身侧中的一个部分 ， 结果他们分别得出结论：这个是一条粗壮的蛇、一把扇子、一堵墙……
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图1/3盲人与大象的寓言 。 | 图片来源：Jason Hunt / NaturalChild在近期刚刚完成一项新研究的哈佛大学物理化学家Kang-Kuen Ni说 ， 量子世界就好比是这个故事中的大象 ， 科学家的每一次探索 ， 其实都只是摸索到了这只未知庞然大物的一小部分 。 但科学家清楚地知道 ， 虽然我们离看清整个量子世界的全貌还有很远的距离 ， 但每一次的探索和进步都能触发更多新的认知 。 就比如Ni和她的团队最近发表的这项研究那样 ， 他们通过实验 ， 解开了在超冷分子实验中普遍存在的“分子消失”之谜 。
去年12月 ， 她与团队搭建了一个新的实验设备 。 他们在最低的温度下（500nK） ， 迫使两个超冷分子相遇并发生化学反应 ， 成功地实现了史上最冷的分子化学键的破坏与形成（详见《最冷的化学反应》） 。
伴随这一壮举而来的意外惊喜是 ， 超低的温度大大地放慢了反应 ， 使得研究人员可以首次实时地捕捉到化学反应发生的过程 。 尽管这些反应仍被认为太过短暂因而难以被测量 ， 但Ni不仅设法了测出了这一反应的持续时间 ， 还找到了在这类反应过程中 ， 常常出现的分子消失的原因 。
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图2/3物理化学家Kang-Kuen Ni在她的实验室中 。 | 图片来源：havard.edu在这项超冷化学研究中 ， 研究人员使用的是两个钾-铷分子 。 他们将分子冷却到接近绝对零度的温度 ， 发现超低温度会迫使分子短暂地处于一个“中间阶段” 。 在这个“中间阶段” ， 两个分子既不是反应物 ， 亦不是生成物 ， 而是一种处于反应物向生成物转变、介于二者之间的状态 。
这个过程在实验中持续了大约360纳秒——比它们在常温下的反应时间长了约一百万倍 。 Ni认为 ， 能够亲眼目睹这种变化的发生 ， 就如同是寓言中得以触碰大象的盲人一样 ， 为他们了解分子是如何工作的提供了一些不一样的新信息 。
在这项研究中 ， 他们并不满足于仅仅是“观看”这一过程 ， 而是决定“动手摸索” 。 这段被放慢的中间阶段 ， 给了他们更多机会用激光对这些分子进行“摆弄” 。 这样的操作在通常情况下并不容易实现 ， 因为那些典型的 ， 比如在室温下就可以反应的络合物 ， 会很快分解成生成物 ， 使得可进行的实验操作并不多 。
在超低温物理学中 ， 科学家常用激光来捕获和操纵原子 ， 这是一种观察原子的量子基态 ， 或迫使它们发生反应的常用方法 。 像钾、铷这类碱金属原子 ， 很常被用于超冷领域的研究 。 1997年的诺贝尔物理学奖就颁发给了在用激光冷却、捕获碱金属原子工作中做出贡献的科学家 。
但与原子相比 ， 分子更加难以操控 ， 因为它们不会乖乖地待着 ， 而是会旋转以及振动 。 因此 ， 当科学家试图用激光来捕获气体分子时 ， 虽然分子如预期的那样相互碰撞 ， 但奇怪的事情却发生了：有的分子从视野中消失了 。
有科学家认为 ， 这种消失应该是由某些反应造成的 ， 比如两个分子碰撞在一起时 ， 转化成了新的东西 。 但这具体是如何做到的？Ni的新研究给出了答案 ， 他们发现 ， 导致分子消失的罪魁祸首是激光 。
在这次的实验中 ， Ni和她的团队使用的是波长为1064纳米的红外激光 。 他们发现 ， 当在中间阶段将激光开启时 ， 处于中间阶段的络合物会被光子激发 ， 迫使分子偏离它们的传统反应路径 ， 进入一种新的反应路径 。 如果想要阻止这些分子消失 ， 就必须将激光关闭 。 不过这样一来 ， 就意味着得使用其他方法来捕获分子了 。 磁场和电场也可被用于捕获分子 ， 但这类方法对技术的要求很高 ， 实现起来不如激光简单 。
接下来 ， 研究人员打算继续探寻这些消失的络合物最终去到了哪里 。 他们已经知道不同波长的光可以产生不同的反应路径 ， 比如在此次实验中所使用的红外线就可以激发钾铷分子 ， 但他们还不能确定哪种波长的光可以使分子形成新的结构 。
此外 ， 他们还计划研究这种络合物在不同转变阶段时的样子 。 研究人员可以通过改变光的频率 ， 让分子的被激发程度发生变化 ， 从而探寻它们的结构 。 这个过程可以使研究人员弄清楚络合物的能级 ， 从而了解它的量子力学结构 。
研究人员希望他们的发现可以成为一个好的研究模型 ， 为使用其他分子的低温反应研究提供灵感 。 他们期待能看到更多的不同研究能给出更多的观测结果 ， 尽可能地与其他科学家共同拼凑出化学反应这只大象的全部面貌 。
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