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科学研究：化学反应的量子效应
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科学研究：化学反应的量子效应
图片来源：Pixabay
由于人类存在于温暖的宏观尺度中，所以几乎不能实际体会到量子机制。为了观察这些机制，物理学家试图利用激光冷冻原子，将温度降至绝对零度以上万亿分之一开尔文的水平。低温减缓了原子运动，科学家就可以观察它们所遵循的量子物理规律。但是，想冷冻由多个原子构成的分子却更加困难。
不知为什么，处于超低温的分子往往会偷偷升温，所以研究人员很难持续追踪这些分子——这种现象被物理学家称为“超低温分子损失”（ultracold molecule loss）。一篇刊登于《自然·物理学》（Nature Physics）的研究揭示了这个现象的具体过程。
图片来源：Pixabay
科罗拉多大学博尔德分校的物理学家叶骏（Jun Ye，音译，并未参与该研究）指出，如果能更好地观察以及控制超低温分子，或许可以帮助科学家逐步认识量子世界的机制，但分子的升温现象却让这一过程变得曲折。作为超低温分子实验领域的先驱者，叶骏早期观察到这种现象时其实是在分子经历化学反应过程中——这显然更像是化学领域，而不是物理范畴——其中一些分子被加热了。
刘玉（Yu Liu，音译，这项研究的共同作者）是哈佛大学的一名研究员，他表示团队本来计划自行探索这些反应。但是“我们在反应进程中观察到的现象，最终为‘超冷分子损失’机制给出了答案。”研究人员将分子间的化学反应“慢放”，从而能够观察到一种被称之为“复合态”的反应中间状态。这是反应物完全转化为生成物前的一个状态。由于分子可以通过电磁力与光相互作用，所以团队决定使用激光约束分子，防止它们发生逃逸。
图片来源：Pixabay
在室温下，化学反应的复合态几乎转瞬即逝无法观察；而在低温下，这种状态的持续时间会增加。但研究人员发现，这种现象也有一定代价。复合态寿命增加后，与束缚它保持原位的激光的相互作用时间也增加了。而相互作用会增加分子内能，导致它的超低温状态发生改变。
认识到这种机制后，物理学家如今试图避免使用会激发复合态的激光类型。有意思的是，观察光子-复合态间相互作用的技术本身也非常有应用前景。斯坦福大学化学家南迪尼·穆克吉（Nandini Mukherjee，并未参与这项研究）表示，观察复合态是研究反应机理时长期追求的目标。
刘玉表示团队表示，他们希望用激光完全控制这类反应的过程。胡名广（Ming-Guang Hu，音译，这项研究的共同作者，同样来自哈佛大学）补充道，这个过程或许可以最终说明，量子机制的规则是如何让超低温分子反应的过程有别与室温下的反应。在解决了一个长期以来困扰量子物理学家的谜题后，团队想进一步解释更多关于量子化学的机制。
撰文：卡尔梅拉·帕达维奇-卡拉汉（Karmela Padavic-Callaghan）
翻译：董子晨曦
文章来源：环球科学
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由于人类存在于温暖的宏观尺度中，所以几乎不能实际体会到量子机制。为了观察这些机制，物理学家试图利用激光冷冻原子，将温度降至绝对零度以上万亿分之一开尔文的水平。低温减缓了原子运动，科学家就可以观察它们所遵循的量子物理规律。但是，想冷冻由多个原子构成的分子却更加困难。
不知为什么，处于超低温的分子往往会偷偷升温，所以研究人员很难持续追踪这些分子——这种现象被物理学家称为“超低温分子损失”（ultracold molecule loss）。一篇刊登于《自然·物理学》（Nature Physics）的研究揭示了这个现象的具体过程。
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科罗拉多大学博尔德分校的物理学家叶骏（Jun Ye，音译，并未参与该研究）指出，如果能更好地观察以及控制超低温分子，或许可以帮助科学家逐步认识量子世界的机制，但分子的升温现象却让这一过程变得曲折。作为超低温分子实验领域的先驱者，叶骏早期观察到这种现象时其实是在分子经历化学反应过程中——这显然更像是化学领域，而不是物理范畴——其中一些分子被加热了。
刘玉（Yu Liu，音译，这项研究的共同作者）是哈佛大学的一名研究员，他表示团队本来计划自行探索这些反应。但是“我们在反应进程中观察到的现象，最终为‘超冷分子损失’机制给出了答案。”研究人员将分子间的化学反应“慢放”，从而能够观察到一种被称之为“复合态”的反应中间状态。这是反应物完全转化为生成物前的一个状态。由于分子可以通过电磁力与光相互作用，所以团队决定使用激光约束分子，防止它们发生逃逸。
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在室温下，化学反应的复合态几乎转瞬即逝无法观察；而在低温下，这种状态的持续时间会增加。但研究人员发现，这种现象也有一定代价。复合态寿命增加后，与束缚它保持原位的激光的相互作用时间也增加了。而相互作用会增加分子内能，导致它的超低温状态发生改变。
认识到这种机制后，物理学家如今试图避免使用会激发复合态的激光类型。有意思的是，观察光子-复合态间相互作用的技术本身也非常有应用前景。斯坦福大学化学家南迪尼·穆克吉（Nandini Mukherjee，并未参与这项研究）表示，观察复合态是研究反应机理时长期追求的目标。
刘玉表示团队表示，他们希望用激光完全控制这类反应的过程。胡名广（Ming-Guang Hu，音译，这项研究的共同作者，同样来自哈佛大学）补充道，这个过程或许可以最终说明，量子机制的规则是如何让超低温分子反应的过程有别与室温下的反应。在解决了一个长期以来困扰量子物理学家的谜题后，团队想进一步解释更多关于量子化学的机制。
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