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哈佛大学首次实现了精确控制两个原子反应生成一个偶极分子

2018-06-13

大家都知道化学反应由原子或者分子之间的碰撞而实现,如果用反应方程来表达,有些反应看起来就很简单,例如2H2O + 2Na = 2NaOH + H2,就只有四种原子和分子。但是实际进行反应的时候,比如室温下将钠投入水中,情况则要复杂的多。尽管实际上是钠原子和水分子在微观尺度上的反应,但一小块钠包含的原子总数是它的摩尔量乘以阿伏伽德罗常数(6.02×1023),水分子的数量同样多的惊人,还要考虑到局部相互作用和反应条件的差异,想要精确控制或探索一个钠原子和一个水分子的反应几乎不可能,而对反应机理的研究只能以宏观尺度的观测数据为基础再平均。那么,到底有没有可能控制单个原子或者单个分子进行反应呢?目前,科学家使用扫描隧道显微镜或者原子力显微镜等技术,可以在单个原子或分子尺度监测反应,但这只适用于表面反应。


最近,哈佛大学的Kang-Kuen Ni教授等人做出突破,首次实现了精确控制两个原子反应生成一个偶极分子(dipolar molecule)。他们使用光镊(optical tweezer)技术分别控制两个激光冷却的超冷原子:钠(Na)原子和铯(Cs)原子,在一个光学偶极阱中碰撞,吸收光子并形成一个激发态分子NaCs*。在他们的实验中,反应方程Na + Cs = NaCs*原原本本地精确描述了实验室中发生的实际过程。该工作发表在Science 上,并被选为封面文章。


在讲述该工作之前先提一下光镊技术。光镊是利用光的力学效应对微小物体实现捕捉和操纵的光学微操纵手段。我们在日常生活中使用镊子时,实际上是手通过镊子对物体施加一定的力来夹起物体,而光镊是利用光场与物体的相互作用,然后通过移动光束来移动物体。光镊技术在原子物理学领域有广泛的应用,其代表就是利用激光冷却和捕获原子。


在这篇工作中,作者通过光镊技术控制钠原子和铯原子,使它们限制在一定区域,该操作条件需要超高真空度,气压只有10-8 Pa。两种光镊的激光波长分别是700 nm和976 nm,因为钠原子与铯原子的可极化性(polarizability)不同,700 nm波长的光吸引钠原子,排斥铯原子,而900 nm 波长的光吸引铯原子的作用力比吸引钠原子的作用力强五倍多,利用这两种波长的光可以将激光冷却的超冷钠原子和铯原子(低于100 μK)限制在一个光镊内。当钠原子和铯原子都在同一光镊内时,在光子作用下反应生成激发态的NaCs*,反应方程式为Na + Cs = NaCs*,形成的激发态NaCs*很快衰减回到基态。当然,该反应并不是每次都成功,通过原子的荧光图像可以观察到碰撞之后光镊内原子的个数。


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使用光镊捕获单原子并反应形成偶极分子。图片来源:Science


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反应过程示意图。图片来源:Lee Liu / Harvard University [1]


作者以两种方式证实了激发态NaCs分子的形成:(一)监测铯原子和钠原子的荧光,一旦原子结合成分子,荧光就会消失;(二)检测激发态NaCs分子的红外光谱中的特征振动线,可以证实该分子的形成。尽管激发态NaCs分子的寿命很短,但该反应证明可以通过使用激光刺激而非外加其他原子(例如催化剂)形成分子。


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反应装置照片。图片来源:Lee Liu and Yu Liu / Harvard University [1]


“利用这种方案,我们可以在单原子水平上控制化学反应,而不依赖于原子之间的随机碰撞,”该文第一作者、Kang-Kuen Ni教授课题组的博士生Lee Liu说。[2]


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Kang-Kuen Ni教授。图片来源:Rose Lincoln / Harvard University [1]


同期Science 上还刊登了以色列魏茨曼科学研究所Edvardas Narevicius教授对此项工作的评述,他认为这一工作“开启了很多有趣的研究方向”,有望“以前所未有的精度研究复杂反应的微观机理”,同时该方法中制备的偶极分子可以作为新型量子位,有望用于量子计算或研究量子相位的工具。[3]


最后还要提一下哈佛大学的官网新闻,在报道这一工作时语气很有些“调皮”,称其为“哈佛有史以来‘最小’的科学突破,就规模而言(In terms of size, it may be the smallest scientific breakthrough ever made at Harvard)”。[1] 笔者在想,科学也需要传播,偶尔不那么严肃,会不会感觉更亲近一些呢?


原文:

Building one molecule from a reservoir of two atoms.

L. R. Liu, J. D. Hood, Y. Yu, J. T. Zhang, N. R. Hutzler, T. Rosenband, K.-K. Ni

Science, 2018, 360, 900-903, DOI: 10.1126/science.aar7797


参考资料:

1.https://news.harvard.edu/gazette/story/2018/04/two-atoms-combined-in-dipolar-molecule-for-first-time/

2. https://physics.aps.org/articles/v11/60

3. Cold chemistry with two atoms. Science, 2018, 360, 855-856, DOI: 10.1126/science.aat7917


(来源: X一MOL资讯)

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