作者：約翰娜·L·米勒

編譯：純珍

圖片來源：Lo?c Anderegg

隨著從兩個原子到三個甚至更多原子的進(jìn)步，適合超冷技術(shù)的分子可能開始類似于大多數(shù)化學(xué)家所認(rèn)識的分子。

激光可以將中性原子冷卻到亞毫開爾文溫度的發(fā)現(xiàn)徹底改變了量子多體物理學(xué)和精密計量學(xué)的研究。利用激光冷卻的堿金屬原子云——鈉、鉀、銣和銫，研究人員探索了玻色-愛因斯坦凝聚、凝聚態(tài)系統(tǒng)的量子模擬、高精度的原子鐘等等。激光冷卻裝置現(xiàn)在非常常規(guī)，可以制成可運輸?shù)陌b，以便帶出實驗室并進(jìn)入現(xiàn)場。

它不再只是原子：目前對超冷分子主題的研究很積極。但是正在研究的分子并不是你在化學(xué)課上記得的那些。相反，它們通常是外來物種，例如 KRb，因為研究人員通過將已經(jīng)冷卻的堿金屬原子組裝成超冷分子。

也可以直接對分子進(jìn)行激光冷卻，但這種方法也有其挑戰(zhàn)和局限性。與原子不同，分子包含像彈簧一樣振動的化學(xué)鍵。用激光光子反復(fù)激發(fā)會拉伸彈簧并使它們運動。很多時候，分子根本沒有冷卻，最終會充滿振動能量。

如果分子的基態(tài)和激發(fā)態(tài)在平衡態(tài)形狀上幾乎相同，那么這個問題就可以得到緩解，然后這些狀態(tài)之間的任何循環(huán)都不會過度拉伸鍵。符合要求的分子包括由堿土金屬原子（如鍶或鈣）與另一個原子（如氟）結(jié)合而成的分子。金屬原子有一個額外的電子，不參與化學(xué)鍵，因此可以在不改變分子形狀的情況下，被激發(fā)到更高能量的軌道。事實上，SrF 是第一個被激光冷卻的雙原子分子，CaF 緊隨其后。

現(xiàn)在，哈佛大學(xué)的 John Doyle 及其同事發(fā)現(xiàn)，同樣的原理適用于與由多個原子組成的化學(xué)基團(tuán)結(jié)合的堿土金屬原子：氫氧化鍶 (SrOH) 和氫氧化鈣 (CaOH)，而不是 SrF 和 CaF。三原子分子的冷卻比二原子分子更復(fù)雜，因為它們可以以更多方式振動，并具有更多可用的量子態(tài)。

對于分子可能達(dá)到的每個振動狀態(tài)，研究人員需要添加一個專用的激光頻率，以將其推回?zé)o振動基態(tài)。Doyle 及其同事發(fā)現(xiàn)，使用 12 種激光頻率，它們可以使 CaOH 分子的行進(jìn)速度減慢到停止，將它們限制在磁光阱中，并在低于1 mK的溫度下保持?jǐn)?shù)十毫秒。在短時間的額外冷卻脈沖下，溫度下降到110μK。

為什么要費心冷卻和捕獲三原子分子——或者說雙原子分子？除了研究超冷狀態(tài)下的化學(xué)反應(yīng)，研究人員還在基礎(chǔ)物理學(xué)測試中使用超冷分子：檢查電子是否具有永久電偶極矩，尋找鏡像分子之間宇稱破壞的證據(jù)，甚至尋找暗物質(zhì)。分子的原子越多，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)就越豐富（例如，具有幾乎相同能量的不同量子態(tài)對）可能證明對這些測試有利。

如果激光冷卻可以應(yīng)用于更大的分子，正如 Doyle 及其同事的初步工作所表明的那樣，那么靈活性就會更加復(fù)雜。原則上，一個可激光冷卻的分子只需要一個堿土金屬原子作為冷卻中心；利用已知的化學(xué)原理，分子的其余部分可以按順序設(shè)計。哈佛研究人員已經(jīng)冷卻（但尚未捕獲）一甲醇鈣或 CaOCH 3。與加州大學(xué)洛杉磯分校的 Anastassia Alexandrova 小組合作的理論工作（以 Anna Krylov 和 Svetlana Kotochigova 小組的類似工作為基礎(chǔ)）發(fā)現(xiàn)，即使是一氧化鈣（一種與苯環(huán)相連的 CaO 基團(tuán)）也顯示出冷卻的希望。

文章來源：https://physicstoday.scitation.org/do/10.1063/PT.6.1.20220616a/full/