麻省理工学院的物理学家创造了23Na40K的超冷分子 2017-06-07 01:03:17

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麻省理工学院的研究人员成功地将钠钾(NaK)分子的气体冷却到500纳克的温度

在这位艺术家的插图中,NaK分子用冷冻的冰球融合在一起表示:左边较小的球体代表钠原子,右边的较大球体是钾原子麻省理工学院的物理学家团队成功地将钠钾(NaK)气体中的分子冷却到500纳克的温度,产生了超冷分子

我们周围的空气是分子嗖嗖的混乱高速公路

通过空间并以每小时数百英里的速度不断相互碰撞这种不稳定的分子行为在环境温度下是正常的但是科学家们一直怀疑,如果温度下降到接近绝对零度,分子就会停止戛然而止他们个人的混乱运动和作为一个集体的行为这种更有序的分子行为将开始形成非常奇怪的,奇特的物质状态 - 从未在物理世界中观察到的状态麻省理工学院的实验物理学家已经成功地将钠钾(NaK)气体中的分子冷却到500纳克的温度 - 只是头发高于绝对零度,研究人员发现,超冷分子相对长寿,稳定,能够抵抗与其他分子的反应性碰撞

分子也表现出非常强的偶极矩 - 分子中电荷的强烈不平衡,介导磁铁 - 麻省理工学院物理学教授,麻省理工学院电子研究实验室的首席研究员Martin Zwierlein说,虽然分子通常充满能量,振动和旋转,并以狂热的速度在太空中移动,但该组织的超冷分子已被有效平静 - 冷却至平均速度每秒厘米,以绝对最低的振动和旋转状态制备“我们非常接近量子力学在分子运动中发挥重要作用的温度,”Zwierlein说:“所以这些分子不再像台球一样四处奔波球,但作为量子力学物质波移动和超冷分子,你可以得到各种不同的物质状态,如超流体晶体,它是结晶的,但没有摩擦,这是完全奇怪的到目前为止还没有观察到但是预测我们可能不会看到这些影响,所以我们都很兴奋“Zwierlein,以及研究生Jee Woo Park和博士后塞巴斯蒂安威尔 - 他们都是麻省理工学院 - 哈佛大学Ultracold原子中心的成员 - 在“物理评论快报”杂志中发表他们的研究结果吸收了7,500开尔文每个分子都由单个原子组成,这些原子结合在一起形成分子结构最简单的分子,类似于哑铃,由两个通过电磁力连接的原子组成Zwierlein的小组试图创造钠钾的超冷分子,每个分子由一个钠和钾原子组成

但是,由于它们的自由度很大 - 翻译,振动和旋转 - 冷却分子直接非常困难原子,结构简单得多,更容易冷却作为第一步,麻省理工学院的团队使用激光和蒸发冷却来冷却单个钠和钾原子的云到接近绝对零度然后他们基本上将原子胶合在一起形成超冷分子,施加磁场以促使原子结合 - 这种机制被称为“Feshbach共振”,以麻省理工学院物理学家赫尔曼·费斯巴赫的名字命名“这就像调整你的收音机一样与某些电台共振,“Zwierlein说”这些原子开始一起快乐地振动,并形成一个结合的分子“结果g键相对较弱,创造了Zwierlein所谓的“蓬松”分子,它仍然会振动很多,因为每个原子都通过长而脆弱的连接键合在一起,使原子更紧密地结合在一起,形成更强大,更稳定的分子,团队采用了科罗拉多大学的团队于2008年首次报道的用于钾铷(KRb)分子的技术,以及因斯布鲁克大学的非极性铯(Ce2)分子 对于这种技术,新产生的NaK分子暴露在一对激光器中,其大的频率差异恰好与分子的初始,高振动状态之间的能量差异,以及其最低可能的振动状态通过吸收低能量激光和高能激光束的发射,分子失去了所有可用的振动能量

通过这种方法,麻省理工学院的研究小组能够将分子降到最低的振动和旋转状态 - 能量大幅下降“温度,我们吸走了7,500开尔文,就像那样,“Zwierlein说化学稳定在他们早期的工作中,科罗拉多小组观察到他们的超冷钾铷分子的显着缺点:它们具有化学反应性,当它们碰撞时基本上分开了其他分子该组随后将分子限制在光晶体中以抑制Zwierlein的这种化学反应该组织选择制造超冷的钠钾分子,因为这种分子具有化学稳定性和对抗活性分子碰撞的天然弹性“当两个钾铷分子碰撞时,它对两个钾原子和两个铷原子配对更有利

起来,“Zwierlein说”事实证明,我们的分子钠钾,这种反应在能量上并不受欢迎它只是没有发生“在他们的实验中,Park,Will和Zwierlein观察到他们的分子气体确实是稳定的,相对较长的寿命,持续约25秒“在分子具有化学反应性的情况下,人们根本没有时间在大量样品中研究它们:它们在进一步冷却之前会腐烂掉以观察有趣的状态,”Zwierlein说道

在我们的例子中,我们希望我们的寿命足够长,可以看到这些新的物质状态“首先将原子冷却到超低温度然后再形成m分子,该小组成功地创造了一种分子的超冷气体,测量的温度比直接冷却技术的温度低一千倍

为了开始看到异物的物质状态,Zwierlein说分子必须进一步冷却,到几乎把它们冻结到位“现在我们已经达到500纳克了,这已经太棒了,我们喜欢它10倍左右,音乐开始播放”这项研究得到了国家科学基金会的部分支持,空军科学研究办公室,陆军研究办公室和大卫和露西尔帕卡德基金会出版物:Jee Woo Park等人,“Ulmracold Dipolar Gas of Fermionic 23Na40K Molecules in Absolute Ground State,”Phys Rev Lett 114,205302, 2015年5月18日; doi:101103 / PhysRevLett114205302研究的PDF副本:23Na40K的超冷基态分子的双光子途径来源:Jennifer Chu,麻省理工学院新闻图片:Jose-Luis Olivares /麻省理工学院