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科学家第一次制备紧密束缚的超冷分子

作者：Phillip F. Schewe 文，李清旭 译
提交人：liqx （2008年10月26日 周日）
类型：news article （Chinese）
引用网址：http://www.qiji.cn/eprint/abs/3788.html
注释：Ultracold Molecules, 译自Physics News Update, Number 875 #1, October 15, 2008
相关网址：http://www.aip.org/pnu/2008/split/875-1.html

摘要/内容：

科学家第一次让原子结合形成温度在绝对零度附近的分子；而且这些产生的分子紧密地堆积在一起。对于希望更好地控制基本化学反应过程和致力于建造新型的以神秘的量子行为为工作原理的计算机的科学家而言，这是一个好消息。原子是构成普通物质的基本“组件”，而我们日常生活中的大多数物体——如塑料、水、空气，甚至我们的身体——则都是由分子组成的。这些分子通常都由两个或更多个原子结合而成。因此研究分子也很重要。

进行非常高水平的研究需要把粒子控制在一个非常小的范围内以便很好地观察他们。粒子活动的范围越小，温度越低，对它们性质所作的测量就越精确。对于原子很容易做到这一点，而对于分子却很难。这是因为分子有内部结构，会发生复杂的转动和振动。同时分子也可以分解。

在最近完成的几个实验中，这些双原子分子相对于以前完成的实验而言可以相互靠的更紧，密度更大，从而可以对它们进行更为细致的研究。所用的技巧就是首先冷却原子到低温，然后利用激光脉冲和磁场作用使这些原子成键，产生同样温度很低的冷分子。这些分子是如此之冷，以至于它们可以几乎静止不动并处于能量尽可能低的状况，这时候的分子转动和振动都被冻结了。早前的实验中同样也可以得到很冷的分子，但是所得到的弱束缚的冷分子分布在较大的空间范围，而且很容易分解成原子。而且最新的实验可以更有效地把原子转化分子，成功率高达90%。

科学家们在实验中利用超冷和超慢分子是因为它们的行为更能反映出量子行为特性——这些量子行为已经用在了今天的耐用电子产品中。和不停摆动的分子（存在内部转动和振动）比较，对静止的分子所作的测量意义更为清楚准确。在美国国家标准与技术研究院（NIST）的JILA协作组，Boulder的科罗拉多大学（Univ. of Colorado）以及奥地利的因斯布鲁克大学（Univ. of Innsbruck）进行的实验中把温度控制在几千万分之一开尔文（绝对零度是物理学上的最低温度）或约零下450华氏度。这是太阳系内的最低温度了，即使冰冷的星际空间的温度也比这些实验室实现的温度要高。

原子是球形的，而双原子分子的形状则更像一个橄榄球或者哑铃。包含多于两个原子的分子则更为复杂。由于这种复杂性，分子更难以研究——你很难一次（只）抓到一个分子。不过科学家希望利用这种复杂性来制备新材料或者用来制造新的计算或者通信方式。

在Boulder实验中使用的分子由一个钾原子和一个铷原子构成。虽然整个分子是电中性的，但是整个分子的正电荷中心和负电荷中心分别处在分子的两端，从而产生一个电偶极矩。这样的极性分子还包括常见的由两个氢原子和一个氧原子组成的水分子。极性分子因为有电偶极矩，所以可以用微小电极进行控制。这也是在手表和电视机中选用极性分子来作为显示材料的原因。

在Innsbruck实验中被冷却的原子不仅很难像气体分子那样任意运动，而且粘附在一个如同微观的三维棋盘上的格子一样的指定位置。利用激光束逐渐冷却并俘获运动原子，最终在一个称为光学晶格的稀薄人工材料上产生一个漂移的原子阵列。实际上，成十字交叉的激光束可以使两个原子定位在棋盘上的一个方格里。另一个说明原子在空间中的情况的办法是把它们描绘成放在鸡蛋盒子里每一个小格子的鸡蛋（如下图）。然后再利用外加磁场使每一对原子结合形成分子。



Innsbruck的物理学家Johannes Denschlag喜欢把这些晶格中的区域想象为一个尺寸小于微米的纳米试管，每一次有几个原子在试管里发生化学反应。不仅如此，整个反应完全可控而且相互作用强度可调。Innsbruck实验中的分子不是极性的，而可以看作是小磁体。这给研究人员提供了另外一种从原子水平上控制化学反应的手段（利用微小磁铁）。Boulder实验中产生的超冷分子处于能量最低从而也最稳定的基态。

分子以创纪录的密度堆积在一起，每立方厘米的分子数超过10亿。因为这些分子是极性的，科学家可以利用电极控制它们，甚至可能用这些分子进行信息编码。由于这些分子是如此相互靠近，可以通过让这些分子以可控的方式相互作用从而实现微加工这样重要的目标。这就有助于制造纳米尺度的量子计算机，或者以远高于通常的数字计算机的速度执行大型计算如大型数据库搜索或者大数分解等。实验的参与者，Jun Ye说这些分子实现的前所未有的控制可能允许发展新的比现有的原子钟更好的计时手段。今年早些时候，Ye曾经参加了建立目前最精确的时钟的工作。

NIST的实验结果发表在最新一期的Science上, 而Innsbruck的结果在发表在9月26号出版的物理学评论快报（PRL）上。

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