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《自然》:物理学家首次在分子中观察到罕见的共振 精选

已有 5000 次阅读 2023-2-4 15:20 |个人分类:新观察|系统分类:论文交流

《自然》:物理学家首次在分子中观察到罕见的共振

诸平

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Fig. 1 Three-state model for the resonance and optical analogues. Credit: Nature (2023). DOI: 10.1038/s41586-022-05635-8

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Fig. 2 Two identical molecules that are colliding form an intermediate complex when they are in resonance. The intermediate complex sets off a reaction to transform the molecules into a new state. (Image: Juliana Park)

据美国麻省理工学院(Massachusetts Institute of Technology简称MIT202321日报道,美国和加拿大的物理学家合作,首次在分子中观察到罕见的共振(Physicists observe rare resonance in molecules for the first time)。

如果她的音调恰到好处,歌手就能打碎酒杯,原因是共振。虽然玻璃在听到大多数声音时可能会轻微振动,但与材料自身固有频率共鸣的音调会使其振动过度驱动,导致玻璃碎裂。

共振也会发生在更小的原子和分子尺度上。当粒子发生化学反应时,部分原因是由于特定条件与粒子产生共振,从而促使它们进行化学连接。但是原子和分子总是在运动,它们处于振动和旋转的模糊状态中。要找出最终触发分子反应的确切共振态几乎是不可能的。

麻省理工学院的物理学家领导的美加科学家合作研究小组,在《自然》(Nature)杂志网站202321日发表了一项新的研究——Juliana J. ParkYu-Kun LuAlan O. JamisonTimur V. TscherbulWolfgang Ketterle. A Feshbach resonance in collisions between triplet ground-state molecules. NaturePublished: 01 February 2023, 614(7946): 54-58. DOI: 10.1038/s41586-022-05635-8. https://www.nature.com/articles/s41586-022-05635-8. 可能已经揭开了部分谜团。

参与此项研究的除了来自麻省理工学院(Massachusetts Institute of Technology, Cambridge, MA, USA)的研究人员之外,还有来自美国内华达大学(University of Nevada, Reno, NV, USA)和加拿大滑铁卢大学(University of Waterloo, Ontario, Canada)的研究人员。

研究小组报告称,他们首次观察到超冷分子碰撞中的共振现象。他们发现,在一个非常特殊的磁场中,一个过冷的钠-锂(NaLi)分子云的消失速度是正常的100倍。分子的迅速消失表明磁场将粒子调谐为共振,促使它们比平时反应更快。

这些发现揭示了促使分子发生化学反应的神秘力量。他们还表明,科学家有朝一日可以利用粒子的自然共振来引导和控制某些化学反应。

麻省理工学院的麦克阿瑟物理学教授(MacArthur Professor of Physics at MIT)、上述研究报告的作者之一沃尔夫冈·凯特尔(Wolfgang Ketterle)说:“这是首次观察到两个低温分子之间的共振。有人认为,分子非常复杂,就像一片茂密的森林,在那里你无法分辨出任何一个共振。但我们发现一棵大树很显眼,高出100倍。我们观察到了完全出乎意料的情况。"

沃尔夫冈·凯特尔的合著者包括第一作者、也是通讯作者麻省理工学院研究生朱莉安娜·帕克(Juliana J. Park)、研究生卢玉坤(Yu-Kun Lu音译)、前麻省理工学院博士后艾伦·贾米森(Alan Jamison,目前在加拿大滑铁卢大学)以及美国内华达大学的帖木儿·切布尔(Timur Tscherbul)。

中间的谜团(A middle mystery

在分子云中,碰撞不断发生。粒子可能像疯狂的台球一样相互碰撞,也可能以短暂但关键的状态粘在一起,形成“中间复合物(intermediate complex)”,然后引发反应,将粒子转化为新的化学结构。

艾伦·贾米森说:“当两个分子碰撞时,大多数时候它们不会到达中间状态。但当它们处于共振状态时,进入这种状态的速度会急剧上升。”

沃尔夫冈·凯特尔补充道:“中间体复合物是所有化学背后的谜团。通常,化学反应的反应物和产物是已知的,但不知道其中一种是如何导致另一种的。对分子共振的了解可以为我们提供这种神秘的中间态的指纹。”

沃尔夫冈·凯特尔的研究小组一直在寻找被冷却到略高于绝对零度的温度的原子和分子中的共振迹象。这种极冷的环境抑制了粒子随机的、温度驱动的运动,让科学家们更有可能识别出任何细微的共振迹象。

1998年,沃尔夫冈·凯特尔首次在超冷原子中观测到了这种共振。他观察到,当一个非常特殊的磁场作用于过冷的钠原子时,磁场增强了原子之间的相互散射,这种效应被称为费什巴赫共振(Feshbach resonance)。从那时起,他和其他人开始在原子和分子的碰撞中寻找类似的共振现象。

沃尔夫冈·凯特尔说:“分子比原子复杂得多。它们有许多不同的振动和旋转状态。因此,分子是否会出现共振还不清楚。"

大海捞针(Needle in a haystack

几年前,当时在沃尔夫冈·凯特尔实验室担任博士后的艾伦·贾米森提出了一项类似的实验,以观察在冷却到绝对零度以上百万分之一度的原子和分子混合物中是否可以观察到共振的迹象。他们发现,通过改变外部磁场,他们确实可以在钠原子和钠-锂分子(sodium-lithium molecules)中探测到几个共振,这是他们去年报道的。

然后,正如研究小组在当前研究中所报告的那样,研究生朱莉安娜·帕克进一步研究了这些数据。凯特尔说:“朱莉安娜·帕克发现其中一个共振与原子无关。她用激光吹走了原子,一个共振仍然存在,非常尖锐,而且只涉及分子。”

朱莉安娜·帕克发现这些分子似乎消失了,这表明这些粒子发生了化学反应,而当它们暴露在特定的磁场中时,它们的消失速度要快得多。

在最初的实验中,艾伦·贾米森和他的同事施加了一个磁场,磁场的变化范围很广,达到1000高斯分布(1,000-Gaussian range)。朱莉安娜·帕克发现,在这个磁场范围的一小段区域内,大约25毫高斯(25 milli-Gaussian)分布,钠-锂分子突然消失,速度比正常情况快100倍。这相当于一根人的头发宽度与一根一米长的棍子的宽度相比。

朱莉安娜·帕克说:"要在大海捞针需要仔细测量。但我们采用了系统化策略来放大这种新的共振现象。”

最后,研究小组观察到了这种特殊的磁场与分子产生共鸣的强烈信号。这种效应增加了粒子形成短暂的中间复合物的几率,然后触发了一种反应,使分子消失。

总的来说,这项发现加深了对分子动力学和化学的理解。尽管该团队并不指望科学家能够在有机化学水平上刺激共振和控制反应,但有朝一日在量子水平上实现这一目标是可能的。

没有参与该小组研究的哈佛大学(Harvard University)物理学教授约翰•道尔(John Doyle)表示:“量子科学的主要主题之一是研究日益复杂的系统,尤其是在量子控制可能即将出现的情况下。这种共振首先出现在简单的原子中,然后出现在更复杂的原子中,这导致了原子物理学的惊人发展。既然这种现象已经在分子中出现,我们首先应该详细地了解它,然后发挥想象力,思考它可能有什么好处,比如构建更大的超冷分子,或者研究有趣的物质状态。”

本研究得到了美国国家科学基金会(National Science Foundation简称NSF)通过超冷原子中心(Center for Ultracold Atoms)提供的支持(National Science Foundation (NSF) through the Center for Ultracold Atoms and grant no. 1506369NSF grant PHY-1607611NSF CAREER award no. 2045681)。还有美国空军科学研究办公室{ Air Force Office of Scientific Research (MURI, grant no. FA9550-21-1-0069)}以及三星奖学金(Samsung Scholarship)的直接或者间接资助和支持。

上述介绍,仅供参考。欲了解更多信息,敬请注意浏览原文或者相关报道

Abstract

Collisional resonances are important tools that have been used to modify interactions in ultracold gases, for realizing previously unknown Hamiltonians in quantum simulations1, for creating molecules from atomic gases2 and for controlling chemical reactions. So far, such resonances have been observed for atom–atom collisions, atom–molecule collisions3,4,5,6,7 and collisions between Feshbach molecules, which are very weakly bound8,9,10. Whether such resonances exist for ultracold ground-state molecules has been debated owing to the possibly high density of states and/or rapid decay of the resonant complex11,12,13,14,15. Here we report a very pronounced and narrow (25 mG) Feshbach resonance in collisions between two triplet ground-state NaLi molecules. This molecular Feshbach resonance has two special characteristics. First, the collisional loss rate is enhanced by more than two orders of magnitude above the background loss rate, which is saturated at the p-wave universal value, owing to strong chemical reactivity. Second, the resonance is located at a magnetic field where two open channels become nearly degenerate. This implies that the intermediate complex predominantly decays to the second open channel. We describe the resonant loss feature using a model with coupled modes that is analogous to a Fabry–Pérot cavity. Our observations provide strong evidence for the existence of long-lived coherent intermediate complexes even in systems without reaction barriers and open up the possibility of coherent control of chemical reactions.




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