絕對零度下分子運動戛然而止 現罕見奇特物質狀態（圖）

2015年06月15日 08:46

　　來源：鳳凰科技

　　鳳凰科技訊 北京時間6月15日消息，據科學日報報道，環繞我們的空氣是疾馳穿越空間的分子的混亂高速公路，它們不斷的以幾百英里每小時的速度彼此碰撞。在環境溫度里這樣不穩定的分子行為是非常正常的。然而科學家們一直懷疑如果溫度驟降到接近絕對零度，分子將戛然停止，個體的混亂運動將終止，轉為表現為一個整體。這種更為有序的分子行為將形成非常奇特、古怪的物質狀態，一種從未在物理世界觀察到的狀態。

　　

　　鈉鉀氣體（NaK）的分子冷卻至接近500毫微開爾文的溫度——只略微高於絕對零度

　　現在美國麻省理工學院的實驗物理學家成功的將鈉鉀氣體（NaK）的分子冷卻至接近500毫微開爾文的溫度——只略微高於絕對零度，大約比星際空間溫度冷100萬倍。研究人員發現這種超冷分子其實相對長壽和穩定，能夠抵抗與其它分子的活躍碰撞。這些分子還表現出非常強的偶極矩——也就是分子內電荷的強烈不平衡性，這些電荷可以調解長距離分子之間類似磁的力。

　　麻省理工學院的物理學家教授、MIT電子研究實驗室的首席調查員馬丁·茨維萊因（Martin Zwierlein）表示雖然分子一般都是充滿能量，以狂熱的節奏振動、旋轉和在空間里移動的，但是他們產生的超冷分子卻異常靜止——它冷卻到移動平均速度只有幾厘米每秒，且幾乎到達最低的振動和旋轉狀態。

　　「我們幾乎達到了一個臨界溫度，也即量子力學將在分子運動中起著巨大的作用，」 茨維萊因這樣說道。「因此這些分子將不再像撞球一樣到處亂撞，而是像量子力學物質波一樣移動。」 而利用超冷分子你可以獲得一系列不同的物質狀態，例如超流體晶體，後者是一種沒有摩擦的晶體，這是非常古怪的。這種物質狀態被預測存在卻從未被觀察到。我們距離觀察到這些效應或許不遠了，所以我們都感到非常興奮。

　　茨維萊因與研究生朴智武（Jee Woo Park）和博士后研究生塞巴斯蒂安·威爾（Sebastian Will）——他們都是麻省理工學院-哈佛超冷原子中心的成員——將他們的研究結果發表在期刊《物理評論快報》上。

　　抽走7500開爾文

　　每一個分子都是由單個原子組成，這些原子彼此連結形成分子結構。最簡單的分子——結構類似啞鈴——是由兩個原子組成，後者由電磁力連接。茨維萊因的研究小組旨在創造納鉀的超冷分子，每一個都由單個鈉原子和鉀原子組成。

　　然而，由於它們很多自由度——平移、振動和旋轉——這使得直接冷卻分子非常困難。而原子結構相對簡單，因此冷卻它們更為容易。第一步，麻省理工學院的科研小組使用了激光和蒸發冷卻將單個鈉原子和鉀原子云冷卻至接近絕對零度。然後它們將原子黏在一起形成超冷分子，並施加一個磁場促進原子結合——這個機制名為費希巴赫共振，它是以麻省理工學院的物理學家赫曼·費希巴赫（Herman Feshbach）為名。

　　「這就像調收音機，使得它能夠與某些頻道共振，」 茨維萊因這樣說道。 「這些分子開始愉快的振動，並形成了受約束的分子。」產生的結合力非常弱，從而創造出仍略微振動的「蓬鬆」分子，因為每一個原子都是通過遙遠、稀薄的連接彼此約束。為了讓原子彼此接近從而創造一個更強更穩定的分子，研究小組使用了一種2008年首次提出的技術，它是由美國科羅拉多大學的科研小組（針對鉀銣分子）和奧地利因斯布魯克大學的科研小組（針對非極性銫分子）提出的。

　　利用這種技術，新創造的鈉鉀分子暴露在一對激光下，兩者之間的頻率差異恰好匹配分子最初高度振動狀態與可能最低的振動狀態之間的能量差異。通過吸收低能量激光，以及放射高能量激光，分子丟失了它們所有的振動能量。利用這種方法麻省理工學院的研究小組將分子降低到最低的振動和旋轉狀態，這導致能量的驟降。「從溫度角度看，我們抽走了7500開爾文。」 茨維萊因解釋道。

　　化學穩定

　　在早期工作里，科羅拉多大學的科研小組觀察到他們的超冷鉀銣分子存在一個重大缺陷：這些超冷鉀銣分子化學性質不活潑，且在與其它分子碰撞時會分離。研究小組隨後將分子限制在光晶體里以阻止這種化學反應。

　　而茨維萊因的小組選擇創造鈉鉀超冷分子，因為這種分子化學性質穩定，能夠自然抵抗分子撞擊。「當兩個鉀銣分子碰撞時，從能量角度看兩個鉀原子更容易成對，兩個銣原子更容易成對，但利用我們的鈉鉀分子，這種反應並不會出現任何能量匹配。這一現象根本不會發生。」

　　在他們的實驗里，朴、威爾和茨維萊因觀察到他們的分子氣體非常穩定，具有較長的壽命，大約能夠持續2.5秒。「當分子化學性質不活波時，研究人員根本沒有時間研究這些樣本，因為它們在能夠冷卻到出現有趣狀態之前就已經衰變。」 茨維萊因解釋道。「但在我們的例子里，我們希望分子壽命足夠長從而揭示這些新穎的物質狀態。」

　　通過首先冷卻原子至超低溫度再形成分子，研究小組成功的創造了一個超冷氣體分子，它比直接冷卻方法可以獲得的溫度要冷1000倍。想要觀察到物質的奇特狀態，茨維萊因表示分子必須進一步冷卻。「現在我們處於500毫微開爾文的溫度，這已經非常了不起，我們非常開心。但如果能夠再冷十倍，我們就可以奏響勝利的號角。」

　　這項研究得到了美國自然科學基金會、美國空軍科研辦公室、美國陸軍研究辦公室和戴維和露西帕卡德基金會的部分資金支持。（編譯/嚴炎劉星）