解决超冷之谜：研究人员破解了分子消失法

哈佛大学的研究人员发现，超冷温度会降低化学反应的速度，使其反应迟缓，让他们瞥见分子如何转变以及对量子世界的洞察力。

通过操纵中化学反应中的超冷分子，研究人员破解了分子消失的行为。

在一个著名的寓言中，三个盲人第一次遇到一头大象。每个生物都碰触到一部分（树干，耳朵或侧面），并得出结论该生物是一条厚实的蛇，扇或墙壁。倪康宽说，这头大象就像量子世界。科学家一次只能探索这种巨大未知生物的一个细胞。现在，Ni透露了更多要探索的东西。

一切始于去年12月，当时她和她的团队完成了一种新装置，该装置可以实现目前任何可用技术中温度最低的化学反应，然后断裂并形成了分子偶联历史上最冷的键。但是他们的超冷反应也出乎意料地将反应速度减慢，使研究人员可以实时了解化学转化过程中发生的情况。现在，尽管人们认为反应太快无法衡量，但Ni不仅确定了反应的寿命，而且解决了这一过程中的一个超冷谜。

Ni，莫里斯·卡恩（Morris Kahn）化学和化学生物学及物理学副教授使用超冷化学方法，将她的两个钾-分子冷却到绝对零值以上，并找到了“中间物”，即反应物转化为产物的空间大约需要360纳秒的时间（仍然是百万分之一秒，但比高温反应中的寿命长了近一百万倍）。“这不是反应物。这不是产品。介于两者之间。”倪说。看着这种变化，就像抚摸大象的侧面一样，可以告诉她一些有关分子如何运作，一切基础的新知识。

但是他们不只是看。

文理研究生院研究生，研究的第一作者，于《自然物理学…》上发表的论文的第一作者余宇说：“这个东西存在的时间如此长，以至于现在我们实际上可以用光把它弄乱了。”“典型的复合物，例如在室温反应中的复合物，您将无能为力，因为它们如此迅速地分解成产品。”

Ni Kang-Kuen Ni教授（中层，橙色外套）和博士后Ming-Guang（右）和Liu Yu（左）测量了已知宇宙中最冷的反应的寿命，并在此过程中解决了一些超冷分子是如何神秘的问题消失。

像《星际迷航》拖拉机光束一样，激光可以捕获和操纵分子。在超冷物理学中，这是捕获和控制原子，观察其处于量子基态或迫使它们起反应的必经之路。但是，当科学家从操纵原子转变为弄乱分子时，发生了奇怪的事情：分子开始从视野中消失。

“他们准备了这些分子，希望实现他们承诺的许多应用，例如建造量子计算机，但他们看到的却是损失，”刘说。

碱原子，例如钾镍和rub镍及其研究小组，在超冷状态下很容易冷却。1997年，科学家因冷却和俘获激光中的碱原子而获得了诺贝尔物理学奖。但是分子比原子更重要：刘说，他们不只是闲着坐在那里，他们还可以旋转和振动。当气体分子被束缚在激光中时，它们如预期的那样相互碰撞，但是其中的一些分子却消失了。

科学家推测，分子损失是由反应引起的-两个分子碰撞在一起，而不是朝着不同的方向前进，而是转化为新的物种。但是如何？

“我们在本文中发现的内容回答了这个问题，”刘说。“您用来限制分子的东西就是杀死分子。”换句话说，这是灯的故障。

当Liu和Ni使用激光操纵该中间配合物时（它们是化学反应的中间部分），他们发现光迫使分子偏离其典型的反应路径并进入新的反应路径。刘说，一对作为中间复合物粘在一起的分子可以被“光激发”，而不是遵循传统的路径。碱分子特别容易受到影响，因为它们在中间体复合物中的寿命为多久。

“基本上，如果您想消除损失，”刘说，“您必须关掉灯。您必须找到另一种捕获这些东西的方法。”例如，磁铁或电场也可以捕获分子。“但是这些都是技术上的要求，”刘说。光更简单。

“与许多其他化学反应一样，该反应本身就是一个宇宙” –刘瑜博士。文理学研究科物理学攻

接下来，Ni想看看这些复合物消失后的去向。某些波长的光（例如该团队用来激发其钾-分子的红外光）可以产生不同的反应路径，但没人知道哪种波长会将分子发送到哪些新的结构中。

他们还计划探索在转换的各个阶段，综合体的外观。刘说：“为探究其结构，我们可以改变光的频率，并观察激发程度如何变化。从那里，我们可以看出该物质的能级在哪里，这说明了它的量子力学构造。”

Ni说：“我们希望这将成为一个模型系统。”这是研究人员如何探索不涉及钾和rub的其他低温反应的一个例子。

刘说：“这个反应就像许多其他化学反应一样，本身就是一个宇宙。”每次进行新观察时，研究小组就会发现一小块巨型量子大象。由于已知宇宙中有无数的化学反应，因此还有很长的路要走。

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参考：刘宇，胡明光，Matthew A. Nichols，David D. Grimes，Tijs Karman，Hua Guo和Kang-Kuenen撰写的“超冷反应中长寿命瞬态中间体的光激发”，2020年7月20日，自然物理学.DOI：
10.1038 / s41567-020-0968-8

这项研究部分由能源部，大卫和露西尔·帕卡德基金会，荷兰研究委员会（NWO），国家科学基金会，国防部陆军研究办公室和亚历山大·冯·洪堡基金会资助。

该论文的其他作者包括胡明光，Matthew A. Nichols，David Grimes，Tijs Karman和Hua Guo。