Nature：绝对零度之上，让同性原子搞“第三者插足”

　　竟有这种操作!!!

　　夏天来了，神州处处是火炉。这个时候，如果能喝上一瓶冰镇饮料，想必能暂时缓解一下燥热的心情。

　　你知道吗?在物理学家看来，冰块其实不够冷，可以说热得离谱。

　　在常温下，水是液态的，这是因为水分子具有很大的能量，并且会到处乱跑。

　　在冰箱里，当气温达到零度以下时，水分子的能量稍微降低。

　　在分子间作用力的牵制下，谁都不能乱跑。于是，水就结成了冰。

　　表面上看，冰块里的水分子很安静。

　　其实，它们仍然拥有很高的能量。虽然不能乱跑，但它们有各种办法自娱自乐，要多乱有多乱。

　　如果想要让分子尽量不要动，就要继续降低温度，夺走分子的能量。

　　假如温度能够降低到-273.15℃，从理论上讲，所有的原子和分子都会停止热运动。这是物质能达到的最低的温度，所以叫做绝对零度。

　　在物理学家眼中，绝对零度才是真正的零度。

　　到了绝对零度以后，原子不能乱动，岂不是很适合进行科学研究?基于这种想法，近年来科学家捣腾出了一门交叉学科：超冷量子化学。

　　2017年7月，中国科学技术大学潘建伟教授及其同事赵博、陈宇翱等，在《自然物理》杂志上就发表了一篇实验论文，讲就是在绝对零度附近，观察原子间“恋爱”和分子“分手”的行为。

　　他们通过激光冷却和蒸发冷却的方法，把30万个钠原子和16万个钾原子的温度降到了绝对零度之上0.0000005度(即500nK)，然后囚禁在一个用激光制造的“陷坑”里。

　　钠原子和钾原子虽然都是碱性的，但它们相遇时，也会基于原子间作用力擦出微小的火花，形成一种弱束缚分子。

　　在平常的温度下(比如零摄氏度)，钠原子蒸气的能量很高，运动速度能超过400米/秒，比民航飞机飞行的速度还要快。

　　即使它能和钾原子擦出火花，也不能维持。

　　如果把温度降低到绝对零度之上0.0000005摄氏度(500nK)，钠原子的能量就会大大降低，运动速度减小到0.02米/秒，和蜗牛爬的一样慢。

　　然而，物理学家把原子和分子的温度降得那么低，并不是为了让它们过家家。

　　而是要通过第三者插足，无情的拆散它们，并观察其中化学反应的每一步过程。

　　这个第三者插足的化学反应，可以简单地写成AB+C—>AC+B。

　　其中A是钠原子，B是自旋为-5/2的钾原子，C是自旋为-3/2的钾原子。

　　也就是说，一个钾原子上位替换了弱束缚分子中原来的钾原子。

　　这个第三者插足的反应看似简单，但它有一个非常大的好处。

　　在之前的超冷量子化学实验中，科学家无法直接看到反应的产物。因为许多化学反应都会释放巨大的能量。

　　本来超低温下的原子和分子都囚禁在陷坑里，可它们一旦有了足够的能量，就会远走高飞，逃出科学家的掌控。

　　在中科大的这个实验中，科学家还在陷坑周围设置了磁场。

　　钠钾分子和钾原子反应时释放的能量跟磁场大小有关，可以通过磁场进行调节。

　　科学家把磁场设定在了130高斯左右(相当于地球磁场的200多倍)，让它们的反应尽量少释放能量，从而保证反应产物都逃不出去，乖乖等着测量。

　　通过这个实验，科学家在2毫秒的时间内，精确观察了1万多对弱束缚钠钾分子，是如何一步一步被第三者拆散的，又重新组合成新对象的。

　　他们不仅第一次观测到了一个微观反应通道的完整反应产物，测量到产物产生的动力学过程，并第一次可以根据产物的演化来标定超冷化学反应的行为。

　　要知道，在常温下的每一个化学反应中，都包含大量各不相同的微观通道。化学家只能笼统地做个平均，根本不能在实验中探究每一个细节，更别说从量子物理的基础理论进行精确计算了。

　　在绝对零度附近，原子都被冻成了单个量子态。

　　它们没有多少套路可以走，只能按照物理学家限定的方式，以最简单的形式碰撞，从一种状态转化到另外一种状态。

　　所以，物理学家对整个过程观测、分析的一清二楚。这是第一次在超冷化学反应中观测到态到态的化学反应。

　　中科大超冷分子实验室最初的设计想法，源自约半个世纪前，20世纪70年代化学家W. Stwalley提出的理论预言。

　　中科大的科学家们从零起步，耗费了三年半的时间，亲自设计、搭建实验平台后，仅用了半年时间就取得了目前的实验成果。

　　这一次实验的成功，将化学反应动力学的实验研究推进到量子水平。

　　《自然?物理》杂志的审稿人说：“这个工作是超冷化学领域的一个重要的里程碑，对化学和物理研究者将有着广泛的兴趣。”