麻省理工学院的物理学家创造了23Na40K的超冷分子

时间：2021-06-19 14:52:25 来源：

麻省理工学院的研究人员已经成功地将钠钾（NaK）分子气体冷却到500纳开尔文的温度。在该画家的插图中，NaK分子以冰冻的冰球融合在一起表示：左侧的较小球体表示钠原子，而右侧的较大球体则表示钾原子。

麻省理工学院的一个物理学家团队已经成功地将钠钾气体（NaK）中的分子冷却到500纳开尔文的温度，从而产生了超冷分子。

我们周围的空气是一个混乱的高速公路，分子在太空中呼啸而过，并以每小时几百英里的速度不断相互碰撞。这种不稳定的分子行为在环境温度下是正常的。

但是科学家长期以来一直怀疑，如果温度降至绝对零附近，分子将停止运转，停止其无序的混沌运动并表现为一个整体。这种更加有序的分子行为将开始形成非常奇怪的，奇特的物质状态-在物理世界中从未观察到的状态。

现在，麻省理工学院的实验物理学家已经成功地将钠钾（NaK）气体中的分子冷却到500纳开尔文的温度-仅比绝对零值高一头的头发，比星际空间的温度低一百万倍。研究人员发现，超冷分子的寿命相对较长且稳定，可以抵抗与其他分子的反应性碰撞。分子还表现出非常强的偶极矩-分子内电荷的强烈不平衡，可在长距离内介导分子间的类磁铁力。

麻省理工学院物理学教授，麻省理工学院电子研究实验室的首席研究员马丁·兹维勒因（Martin Zwierlein）说，尽管分子通常充满能量，以疯狂的速度振动，旋转并在太空中移动，但该小组的超冷分子已被有效地淡化了—冷却至平均每秒厘米的速度，并准备在其绝对最低的振动和旋转状态下进行。

Zwierlein说：“我们非常接近量子力学在分子运动中发挥重要作用的温度。”因此，这些分子将不再像台球那样四处奔波，而是随着量子力学物质波而运动。借助超冷分子，您可以获得各种各样的不同状态的物质，例如超流体晶体，它们是晶体，却没有摩擦，这完全是奇怪的。到目前为止尚未观察到，但是可以预测。我们可能并不遥远地看到这些影响，所以我们都感到兴奋。

Zwierlein以及研究生Jee Woo Park和博士后Sebastian Will都是MIT哈佛大学超冷原子中心的成员，他们的研究结果已发表在《物理评论快报》上。

吸掉7,500开尔文

每个分子都由相互结合形成分子结构的单个原子组成。最简单的分子，类似于哑铃，由电磁力连接的两个原子组成。Zwierlein的研究小组试图制造钠钾的超冷分子，每个分子都由一个钠和钾原子组成。

但是，由于分子的许多自由度（平移，振动和旋转），直接冷却分子非常困难。具有更简单结构的原子更容易冷却。第一步，麻省理工学院的团队使用激光和蒸发冷却将单个钠和钾原子云冷却到接近零。然后，他们基本上将原子粘合在一起以形成超冷分子，施加磁场促使原子键合-这种机制被称为“ Feshbach共振”，以已故的MIT物理学家Herman Feshbach的名字命名。

Zwierlein说：“这就像调整您的收音机使其与某个电台产生共鸣一样。”“这些原子开始一起快乐地振动，并形成一个结合分子。”

由此产生的键相对较弱，从而形成了Zwierlein所谓的“蓬松”分子，该分子仍会振动很多，因为每个原子都通过长而脆弱的连接键进行键合。为了使原子之间更紧密地结合在一起，以创建一个更坚固，更稳定的分子，该团队采用了一种技术，该技术于2008年由科罗拉多大学的研究小组首先报道，该研究用于rub钾（KRb）分子研究，因斯布鲁克大学的研究用于非极性铯（Ce2）分子。

对于这项技术，将新创建的NaK分子暴露于一对激光下，其较大的频率差与该分子的初始高振动状态与其可能的最低振动状态之间的能量差完全匹配。通过吸收低能激光，并发射到高能激光束中，分子失去了所有可用的振动能。

通过这种方法，麻省理工学院的研究小组能够将分子降低到最低的振动和旋转状态-能量大幅度下降。

Zwierlein说：“就温度而言，我们就这样吸走了7,500开尔文”。

化学稳定

在他们的早期工作中，科罗拉多小组观察到其超冷钾rub分子的显着缺点：它们具有化学反应性，当它们与其他分子碰撞时基本上会分解。该小组随后将分子限制在光晶体中，以抑制这种化学反应。

Zwierlein的小组选择创建钠离子的超冷分子，因为该分子化学性质稳定，对反应性分子碰撞具有天然弹性。

Zwierlein说：“当两个钾rub分子碰撞时，对两个钾原子和两个rub原子配对更有利。”“事实证明，对于我们的分子钠钾而言，该反应在能量上并不受欢迎。只是没有发生。”

在实验中，Park，Will和Zwierlein观察到它们的分子气体确实是稳定的，具有相对较长的寿命，持续约2.5秒。

“在分子具有化学反应性的情况下，人们根本没有时间研究散装样品中的分子：它们在进一步冷却以观察有趣的状态之前逐渐消失。” Zwierlein说。“就我们而言，我们希望我们的一生足够长，可以看到这些新颖的物质状态。”

通过首先将原子冷却至超低温，然后才形成分子，该小组成功地产生了一种分子的超冷气体，其测量温度比直接冷却技术所能达到的温度低一千倍。

为了开始看到奇特的物质状态，Zwierlein说，分子必须进一步冷却，除了冻结外，其他所有分子都必须固定在适当的位置。“现在我们的容量是500纳开尔文，这已经太棒了，我们喜欢它。大约变冷10倍，音乐开始播放。”

这项研究得到了美国国家科学基金会，空军科学研究所，陆军研究处以及戴维·露西尔·帕卡德基金会的部分支持。