物理學家首次觀察到分子中罕見的共振

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。雖然玻璃可能會響應大多數(shù)聲學音調(diào)而輕微振動，但與材料自身固有頻率共振的音高會使其振動超速，導致玻璃破碎。

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

麻省理工學院的物理學家可能已經(jīng)破解了這個謎團的一部分，今天發(fā)表在《自然》雜志上的一項新研究。該團隊報告說，他們首次觀察到超冷分子碰撞的共振。

他們發(fā)現(xiàn)，當暴露于非常特定的磁場時，一團過冷的鈉鋰(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。

這些發(fā)現(xiàn)揭示了驅(qū)動分子發(fā)生化學反應的神秘力量。他們還認為，科學家有朝一日可以利用粒子的自然共振來引導和控制某些化學反應。

“這是第一次看到兩個超冷分子之間的共振，”研究作者，麻省理工學院約翰·D·麥克阿瑟物理學教授沃爾夫?qū)?middot;凱特爾說。“有人認為分子是如此復雜，以至于它們就像一片茂密的森林，在那里你無法識別一個共振。但是我們發(fā)現(xiàn)一棵大樹突出了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院研究生Juliana Park，研究生Yu-Kun Lu，前麻省理工學院博士后Alan Jamison，目前在滑鐵盧大學，以及內(nèi)華達大學的Timur Tscherbul。

中間的謎團

在分子云中，碰撞不斷發(fā)生。粒子可能會像狂熱的臺球一樣相互撞擊，或者在短暫但關鍵的狀態(tài)下粘在一起，稱為“中間復合物”，然后引發(fā)反應，將粒子轉(zhuǎn)化為新的化學結(jié)構。

“當兩個分子碰撞時，大多數(shù)時候它們不會達到中間狀態(tài)，”賈米森說。“但是當他們處于共振狀態(tài)時，進入這種狀態(tài)的比率會急劇上升。

“中間復合物是所有化學背后的奧秘，”Ketterle補充道。“通常，反應物和化學反應的產(chǎn)物是已知的，但不知道一個如何導致另一個。了解分子的共振可以給我們這個神秘的中間狀態(tài)的指紋。

Ketterle的小組一直在尋找過冷的原子和分子共振的跡象，溫度略高于絕對零度。這種超冷條件抑制了粒子的隨機、溫度驅(qū)動的運動，使科學家有更好的機會識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，當對過冷的鈉原子施加非常特定的磁場時，該磁場增強了原子相互散射的方式，這種效應被稱為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似的共振。

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

大海撈針

幾年前，當時在凱特爾實驗室擔任博士后的賈米森提出了一個類似的實驗，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，冷卻到絕對零度以上百萬分之一度。通過改變外部磁場，他們發(fā)現(xiàn)他們確實可以在鈉原子和鈉鋰分子中拾取幾次共振，他們?nèi)ツ陥蟮懒诉@一點。

然后，正如該團隊在當前研究中報告的那樣，研究生Park仔細研究了數(shù)據(jù)。

“她發(fā)現(xiàn)其中一個共振不涉及原子，”凱特爾說。“她用激光吹走了原子，一個共振仍然存在，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)生化學反應的跡象 - 比它們暴露于非常特定的磁場時要快得多。

在他們最初的實驗中，Jamison及其同事施加了一個磁場，他們在1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，在這個磁性范圍的一小部分內(nèi)，大約是100毫高斯。這相當于一根人類頭發(fā)的寬度與一米長的棍子相比。

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

最后，研究小組觀察到一個強烈的信號，即這個特殊的場與分子產(chǎn)生共振。這種效應增強了顆粒在短暫的中間復合物中結(jié)合的機會，然后觸發(fā)了使分子消失的反應。

總體而言，這一發(fā)現(xiàn)提供了對分子動力學和化學的更深入理解。雖然該團隊預計科學家無法在有機化學水平上刺激共振并引導反應，但有一天有可能在量子尺度上做到這一點。

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

標簽：