研究人员在500纳开的温度下，实现了有史以来宇宙中最冷的化学反应，还收获了一个意外的惊喜——首次观察到了化学反应的中间体。
（图源：harvard chemistry）
撰文 | 廖红艳
编辑 | 李研
一朵娇艳的玫瑰、几个胖胖的气球、一段弹力十足的橡皮筋，把它们放进装满液氮的容器中，会发生什么？在科普讲座时，美国标准技术研究院的物理学家威廉·菲利普斯（William Phillips，1997年诺贝尔物理学奖得主）喜欢为观众演示这个实验。实验并不复杂，你可以看到，几秒钟后，柔韧的橡皮变得像枯枝，用手一掰就断成了两截；一分钟后，玫瑰花瓣变得像薄脆的玻璃，轻轻一弹便碎成了渣；5分钟后，胖胖的气球被冻得“瘦了身”，变成了一块块又瘪又硬的“大饼”。菲利普斯因开发出利用激光冷却和俘获原子的方法，与另两位科学家一起获得了1997年诺贝尔物理学奖。他做这些实验的目的，是希望形象地向观众展示，在极低的温度下，物质的性质会变得与平时完全不同。菲利普斯在讲座中使用的液氮，最低能降温至约-200℃，而他所涉及的研究，也就是俘获原子时需要达到的温度，比这还要低得多，仅比绝对零度-273℃（理论上温度的下限值）高不到0.001开。
超冷化学
围绕在我们周围的空气，其实并不平静。如果你变身成一个原子，就会发现，空气就像是一个混乱的高速公路——气态原子和分子在其中以每秒数百米的速度运动（像喷气式飞机一样快），并且不断相互碰撞。这就是气态原子在室温下的常态。但如果将温度降到毫开（10-3 K）量级，气态原子和分子的运动速度就会变慢很多，只有每秒数十厘米。这个时候，操纵和控制单个原子就可能成为现实。
如果温度继续下降，达到超冷（ultracold）状态，也就是微开（10-6 K）甚至纳开（10-9 K）量级时，气态原子和分子的运动就会变得更加缓慢。研究分子在超冷状态下化学性质的科学，也叫超冷化学，是化学科学中最新、最酷的一个分支。物质在如此低温的状态下，会表现出更加奇特的性质。在刚刚过去的2019年年底，《科学》（Science）杂志刊登了哈佛大学生物和生物化学系、物理系副教授，哈佛大学-麻省理工学院超冷原子中心（Harvard-MIT Center for Ultracold Atoms）研究员倪康坤（kang-kuen Ni，音译）和同事在超冷化学领域的一项新进展。研究人员在500纳开的温度下，实现了有史以来宇宙中最冷的化学反应，还收获了一个意外的惊喜——首次观察到了化学反应的中间体。
神秘的“中间体”
来到倪康坤的超冷化学实验室，你可能会感到惊讶，这里没有盛放化学试剂的瓶瓶罐罐，也没有液氮、液氦等致冷剂，相反，桌上摆满了由激光、透镜组成的光学仪器，密密麻麻的线缆，还有真空室（vacuum chamber）和检测仪器，看起来更像是一个光学实验室。
倪康坤和同事花费5年时间构建的超冷化学实验室，可进行宇宙中最冷化学反应。（Credit: Kris Snibbe/Harvard Staff Photographer, 图源：harvard.edu）
倪康坤是2013年来到哈佛大学的，她和团队花费了5年时间，构建了这套能进行宇宙中最冷化学反应的设备。2018年，倪康坤带领团队操纵单个钠（Na）原子和铯（Cs）原子进行反应，得到NaCs分子，实现了世界上最精确的化学反应。现在，倪康坤和同事又更进一步，成功让两个铷化钾（KRb）分子，在500纳开的低温下相遇，并发生化学反应。“我们正在寻找反应产物，以确认反应正在发生、反应物正变成产物，但令人惊讶的是，我们居然看到了中间体。”倪康坤介绍说，“同行们也非常兴奋，新研究为大家提供了新的可能性，其他科学家也非常想看看，接下来我们会做些什么。”一般来说，化学反应发生的时间非常短，通常以皮秒（10-12秒）计，反应过程中产生的中间体可以说是转瞬即逝，几乎没有办法捕捉到。倪康坤和团队创造了500纳开的低温，将反应时间延长了100万倍，达到微秒（10-6秒）级，虽然这个时间看起来还是很短，但研究人员已经可以通过光电离（photoionization）检测设备直接观察到中间体的存在了。
研究人员在将化学反应放慢100万倍后，首次观察到了化学反应的中间体。（Credit: Ming-Guang Hu, 图源：chemistry.harvard.edu）
研究的第一作者、倪康坤实验室的博士后研究员胡明光（Ming-Guang Hu，音译）表示，这意味着我们又向超冷化学反应的量子控制前进了一步。倪康坤和同事今天的成功，是几代科学家共同努力的结果，从上世纪80年代原子冷却技术的发明，到超冷原子、超冷分子的制备，都为超冷化学反应的实现，打下了坚实的基础。
激光冷却
早在1917年，爱因斯坦就证明，原子吸收和发射光子后，动量会发生改变。正在行进中的原子被迎面而来的激光照射，只要激光的频率和原子的固有频率匹配，就会引起原子核外电子的跃迁，同时，这个过程又会发射同样的光子，不过发射的光子是朝四面八方的。因此，原子每与光子碰撞一次，动量就会减小一点，直到最低值。
这幅漫画形象地描述了激光冷却和捕获原子的原理。（图源：nobelprize.org）
科学家就是利用这个原理来冷却原子的。所谓激光冷却，实际上就是在激光的作用下使原子减速。上世纪80年代，当时在贝尔实验室工作的物理学家朱棣文（Steven Chu），首次使用沿三个正交方向的6束激光来“围剿”原子，这样不论原子向哪个方向运动，都会遇到光子，并被推回到激光束的交汇处，从而达到更低的温度。随后，为了阻止“冻僵”的原子在重力作用下陷落，又有科学家研发出了磁光阱（magneto-optical trap）技术——使用6束激光再加上磁场共同作用，将原子“囚禁”在一个很小的范围里。激光冷却和俘获原子技术的出现，为分子和原子物理学打开了一个重要突破口，科学家终于可以在实验室里对单个原子进行操控和研究。接下来的数年间，全球掀起了超冷科学研究的热潮，科学家们不断刷新激光冷却的温度下限，从毫开一路降到了微开甚至纳开。1997年，由于开发出利用激光冷却和俘获原子的技术，文章开头出场的菲利普斯和朱棣文、法国物理学家克劳德·科恩-坦努吉（Claude Cohen-Tannoudji）一起，获得了诺贝尔物理学奖。
宏观的量子物体
当温度低到纳开量级时，原子的运动速度会降到只有每秒几毫米（像蜗牛一样慢），并呈现出极为诡异的一面——量子态。科学家形象地把这时原子和分子的运动状态称为“量子爬行”（quantum crawl）。
1924年，法国物理学家德布罗意（Louis de Broglie）就提出，自然界中所有粒子都具有波粒二象性（即同时具备波和粒子的特征），也就是量子特性。但由于物质的波长与动量成反比，质量较大、温度较高粒子的物质波（matter wave）波长非常小，小到超出了可以观察到的极限。这也是为什么质量较小的电子在常温下即可呈现出量子态，但比它重数万倍的原子却需要降温至纳开量级时才能呈现出量子态。1995年，在科罗拉多大学博尔德分校与美国标准技术研究院合作设立的研究机构——美国实验天体物理学联合研究所（Joint Institute for Laboratory Astrophysics，简称JILA），两位物理学家——埃里克·康奈尔（Eric Cornell）和卡尔·威曼（Carl Wieman），将大约2000个气态铷原子冷却到170纳开，并首次得到了一种被称为玻色-爱因斯坦凝聚体（Bose–Einstein condensate，BEC）的宏观量子态物质。这是一种全新的物态形式，不属于气体、液体、固体和等离子体，因此也被称为物质的第五态。
1995年，埃里克·康奈尔和卡尔·威曼首次得到了被称为玻色-爱因斯坦凝聚体的宏观量子态物质。（Credit: Ken Abbott / University of Colorado at Boulder, 图源：nist.gov）
威曼后来说，“我们将量子态的物质带到了人类的宏观世界，你可以戳戳它，刺刺它，并以前所未有的方式查看它。”他还形象地介绍说，玻色-爱因斯坦凝聚体相当于将所有原子合并成了一个“超原子”，这个“超原子”足够大，可以在显微镜下观察到，具有独特的量子特性。2001年，康奈尔、威曼和麻省理工学院的沃尔夫冈·凯特尔（Wolfgang Ketterle，另一位同期独立获得玻色-爱因斯坦凝聚体的科学家）共同分享了诺贝尔物理奖。
从超冷原子到超冷分子
倪康坤的博士生涯就是在科罗拉多大学博尔德分校度过的，她在那里加入了威曼的研究组。从2003年博士入学到2009年博士毕业，除了威曼的指导外，她博士毕业论文的两位指导导师——黛博拉·金（Deborah Jin，有一半中国血统，中文名为金秀兰）和叶军，同样也是超冷领域的“大牛”。
2003年，黛博拉·金曾带领团队创造出了另一种新的物态——超冷费米子凝聚体（Fermionic condensate）。不过，黛博拉·金并没有止步于此，她认为，超冷极性分子气体将比原子气体更有价值。“要为更广泛的行为创建量子模型，你不仅需要原子，还需要分子，分子之间的相互作用更加有趣。”黛博拉·金说，“在超冷原子气体中，原子仅在彼此接触时才相互作用，就像两个球在碰撞后才会相互弹开一样。但是，超冷极性分子不是这样，即使它们相距一定距离，超冷极性分子也可以感觉到彼此，因为它们一端带有正电荷，另一端带有负电荷，可以像两块磁铁一样远距离互相作用。”2008年，黛博拉·金实验室与叶军实验室合作，在350纳开的温度下，首次创造出了处于量子极限的超冷极性KRb分子。倪康坤的博士论文，介绍的就是她参与这项研究时所做的工作。这项研究具有开创意义，为超低能化学反应、量子相变和量子信息科学打开了新的研究方向。
2008年，黛博拉·金团队与叶军团队合作，创造出了处于量子极限的超冷极性分子。（图源：blog.adafruit.com）
令人惋惜的是，黛博拉·金虽然在2005年就当选美国科学院院士，成为当时美国科学院最年轻的院士，但在2016年因为癌症离开了世界，时年47岁。许多人都认为，如果她没有去世，很可能会获得当年的诺贝尔物理学奖。
量子控制：化学的圣杯
化学物理学家的终极梦想，也许是进行化学合成的量子控制。想象一下，如果你有一个分子，并且可以控制它的量子态，你就可以像组装乐高模型一样，用量身定制的激光脉冲，在分子的任何位置断裂化学键，并连上你想要的原子或基团。
注：化学物理学是物理学的一个分支，主要是利用原子和分子物理学和凝聚态物理学的技术来研究物理化学现象。制造处于量子态的超冷极性分子凝聚物，是实现这一梦想的第一步。科学家制备超冷原子时使用得最多的是碱金属元素，它们像氢原子一样，最外层只有一个电子，电子能级系统比较简单，方便冷却和俘获。但分子可以旋转、振动并且通常具有复杂的电子能级系统，能量状况要复杂得多，所以，直接冷却分子非常困难。黛博拉·金、叶军和倪康坤没有去啃“直接将分子冷却到超冷状态”这块硬骨头，而是采取了一种更简单易行的方法，他们先将原子冷却到超低温，再将原子“粘合”在一起，形成超冷分子。这个领域目前已经取得了很多进展，但对科学家来说，实现超冷分子气体的完全量子态控制，可能还是一个近期无法实现的梦想。超冷原子和分子“超酷”的应用前景，也是激励研究人员前行的动力。比如，我们可以利用超冷原子和分子移动速度更慢这个特性，制造出比现有原子钟更精准的时钟；利用超冷原子和分子对环境非常敏感这一点，制作重力和磁力梯度仪，测量所处的空间位置，甚至用于导航。此外，超冷原子和分子具有量子特性，有望作为量子计算的最小存储单元，用于构建量子计算机。
在真空室中，NaK分子可以被冷却到只有几百纳开，有望作为一种新型量子比特，用于构建未来的量子计算机。（Credit: Massachusetts Institute of Technology, 图源：phys.org）
除了这些具体的应用，超冷气体还可以作为基础物理的研究工具，用于构建量子模型系统，以研究多体量子物理学（Many-body quantum physics，物理学的一个分支，研究大量相互作用的粒子的集体量子行为）。在超冷气体构建的模型中，科学家不仅可以研究化学反应的量子控制，还可以研究任何依赖电子量子行为的复杂物理系统，涉及到的领域涵盖凝聚态物理、核物理、等离子体物理、粒子物理，甚至天体物理。现在，倪康坤和同事正在着手绘制一个新奇的超冷量子化学和超冷分子世界。他们的最新研究表明，在这个超低温的世界里，即使最简单的化学反应也会给我们带来意外的惊喜。未来，如果真的能够实现对超冷气体反应的量子控制，肯会还会出现许多颠覆我们认知、不能用现有理论描述的现象。到时候，我们可能无法预见这些偶然的新发现，但我们期望，这些偶然出现时，科学家可以认出它们。
[1] Liu, L. R., Hood, J. D., Yu, Y., Zhang, J. T., Hutzler, N. R., Rosenband, T., & Ni, K. K. (2018). Building one molecule from a reservoir of two atoms. Science, 360(6391), 900-903.
[2] https://chemistry.harvard.edu/news/coldest-reaction
[3] https://www.nsf.gov/discoveries/disc_summ.jsp?cntn_id=112558
[4] https://www.nobelprize.org/prizes/physics/1997/
[5] https://www.nobelprize.org/prizes/physics/2001/
