JILA的电“旋钮”可调节量子气体中的化学反应速率

发布于 2021-03-23 14:51 ，所属分类：知识学习综合资讯

来源：NIST新闻

基于新发现的能力，美国联合天体物理实验室（JILA）的研究人员可以引导超低温气体中的分子进行远程的相互作用，他们利用一个电“旋钮”来影响分子碰撞，并显著地提高或降低化学反应速率。

原子的阴影被困在激光网或光学晶格层中，然后它们被配对成超冷的钾-铷分子。JILA的研究人员随后使用电场精确地控制分子碰撞并在这些层内抑制可能发生的化学反应。（图片来源：Ye Group/JILA）

这些超冷的气体遵循量子力学看似违反直觉的规则，主要特征是能量的精确单位（即量子）和常为奇特的运动。因此，若能控制稳定量子气体中的化学反应，就可以设计新型化学物质和气体，利用分子作为信息丰富的量子位（量子比特）为量子计算机搭建新平台，以及实现精密测量的新工具（如分子钟）。

这一进展发表在2020年12月11日出版的期刊《科学》（Science）上。JILA由美国国家标准与技术研究院（NIST）和科罗拉多大学博尔德分校联合运营。

“在我们的实验中，分子碰撞是十足的量子力学，它们的轨迹都是量子化的，取决于它们相互接近的方式，”NIST/JILA的研究员Jun Ye说。“这与热气体中分子随机接近彼此的情况截然不同。”

这项新工作是继Ye之前在超冷量子气体方面的许多成就之后的又一成果。特别是，这一进展建立在JILA的简化方案基础上，这种方案将分子气体推到它们的最低能量状态，称为量子简并，在量子简并中，分子开始像重叠波一样相互作用。

JILA在最近的实验中制造出一个包含数以万计钾-铷分子组成的稠密气体的六电极组件，研究人员用它来生成一个可调谐的电场。这些分子被限制在一堆被称为光学晶格的薄片状的激光陷阱中，但在每个薄片中可以自由碰撞，就像人们在溜冰场溜冰一样，Ye说。

分子之间的碰撞常常会导致化学反应，迅速耗尽气体。然而，JILA的研究团队发现，通过转动一个简单的旋钮——电场的强度，就可以“屏蔽”这些分子发生化学反应。屏蔽是由于电场改变了分子的旋转和相互作用。

分子之间互相排斥，因为它们是费米子，这类粒子不可能在同一时间处于同一量子态和位置。但这些分子可以相互作用，因为它们是极性的，铷原子带正电荷，钾原子带负电荷。相反的电荷产生对电场敏感的电偶极矩。当分子带相反电荷的头尾相碰时，化学反应会迅速耗尽气体。当分子并排碰撞时，它们会互相排斥。

JILA的研究团队首先准备了一种气体，在这种气体中，每个分子都以一个量子旋转单位旋转。因此，每个分子都像一个微小的量子陀螺绕着它的轴旋转，角动量（或旋转速度）就是量子力学所允许的特定值。通过改变电场，研究人员发现两个相互碰撞、旋转的分子可以交换旋转的特殊场（“共振态”），使一个分子的旋转速度是另一个分子的两倍，而另一个完全不旋转。

交换旋转的能力完全改变了碰撞的性质，使碰撞分子之间的力在共振态附近迅速地从吸引变成排斥。当分子间的相互作用处于排斥时，分子就不会损失，因为它们之间的紧密程度不足以发生化学反应。当相互作用是吸引力时，化学反应速率显著提高。

JILA的研究团队观察到，在共振态附近，当电场强度仅调整几个百分点时，化学反应速率就会发生近千倍的变化。在最强的屏蔽作用下，化学反应速率降低到正常背景值的十分之一，形成一种稳定、持久的气体。

这是首次验证使用电场共振控制分子之间的相互作用。实验结果与理论预测一致。JILA的研究人员希望他们的技术在没有光学晶格的情况下仍然有效，这将减少未来用其它类型原子构成分子气体的工作量。

来自法国奥赛巴黎萨克雷大学的一名合作者进行了理论计算。研究资金由NIST、美国国防高级研究计划局、陆军研究办公室和国家科学基金会共同提供。

——编译：李莉萍

如有科技文献外文检索、翻译等服务需求，欢迎来函来电！

联系人：李莉萍

电话：010-62457159

微信：liliping304