研究人員在500納開的溫度下，實現了有史以來宇宙中最冷的化學反應，還收穫了一個意外的驚喜——首次觀察到了化學反應的中間體。
（圖源：harvard chemistry）
撰文 | 廖紅艷
編輯 | 李研
一朵嬌艷的玫瑰、幾個胖胖的氣球、一段彈力十足的橡皮筋，把它們放進裝滿液氮的容器中，會發生什麼？
在科普講座時，美國標準技術研究院的物理學家威廉·菲利普斯（William Phillips，1997年諾貝爾物理學獎得主）喜歡為觀眾演示這個實驗。實驗並不複雜，你可以看到，幾秒鐘後，柔韌的橡皮變得像枯枝，用手一掰就斷成了兩截；一分鐘後，玫瑰花瓣變得像薄脆的玻璃，輕輕一彈便碎成了渣；5分鐘後，胖胖的氣球被凍得「瘦了身」，變成了一塊塊又癟又硬的「大餅」。
菲利普斯因開發出利用雷射冷卻和俘獲原子的方法，與另兩位科學家一起獲得了1997年諾貝爾物理學獎。他做這些實驗的目的，是希望形象地向觀眾展示，在極低的溫度下，物質的性質會變得與平時完全不同。菲利普斯在講座中使用的液氮，最低能降溫至約-200℃，而他所涉及的研究，也就是俘獲原子時需要達到的溫度，比這還要低得多，僅比絕對零度-273℃（理論上溫度的下限值）高不到0.001開。
註：絕對溫標的單位為開爾文，簡稱開(K)。
超冷化學
圍繞在我們周圍的空氣，其實並不平靜。如果你變身成一個原子，就會發現，空氣就像是一個混亂的高速公路——氣態原子和分子在其中以每秒數百米的速度運動（像噴氣式飛機一樣快），並且不斷相互碰撞。這就是氣態原子在室溫下的常態。但如果將溫度降到毫開（10-3 K）量級，氣態原子和分子的運動速度就會變慢很多，只有每秒數十厘米。這個時候，操縱和控制單個原子就可能成為現實。
如果溫度繼續下降，達到超冷（ultracold）狀態，也就是微開（10-6 K）甚至納開（10-9 K）量級時，氣態原子和分子的運動就會變得更加緩慢。研究分子在超冷狀態下化學性質的科學，也叫超冷化學，是化學科學中最新、最酷的一個分支。物質在如此低溫的狀態下，會表現出更加奇特的性質。
在剛剛過去的2019年年底，《科學》（Science）雜誌刊登了哈佛大學生物和生物化學系、物理系副教授，哈佛大學-麻省理工學院超冷原子中心（Harvard-MIT Center for Ultracold Atoms）研究員倪康坤（kang-kuen Ni，音譯）和同事在超冷化學領域的一項新進展。研究人員在500納開的溫度下，實現了有史以來宇宙中最冷的化學反應，還收穫了一個意外的驚喜——首次觀察到了化學反應的中間體。
神秘的「中間體」
來到倪康坤的超冷化學實驗室，你可能會感到驚訝，這裡沒有盛放化學試劑的瓶瓶罐罐，也沒有液氮、液氦等致冷劑，相反，桌上擺滿了由雷射、透鏡組成的光學儀器，密密麻麻的線纜，還有真空室（vacuum chamber）和檢測儀器，看起來更像是一個光學實驗室。
倪康坤和同事花費5年時間構建的超冷化學實驗室，可進行宇宙中最冷化學反應。（Credit: Kris Snibbe/Harvard Staff Photographer, 圖源：harvard.edu）
倪康坤是2013年來到哈佛大學的，她和團隊花費了5年時間，構建了這套能進行宇宙中最冷化學反應的設備。2018年，倪康坤帶領團隊操縱單個鈉（Na）原子和銫（Cs）原子進行反應，得到NaCs分子，實現了世界上最精確的化學反應。現在，倪康坤和同事又更進一步，成功讓兩個銣化鉀（KRb）分子，在500納開的低溫下相遇，並發生化學反應。
「我們正在尋找反應產物，以確認反應正在發生、反應物正變成產物，但令人驚訝的是，我們居然看到了中間體。」倪康坤介紹說，「同行們也非常興奮，新研究為大家提供了新的可能性，其他科學家也非常想看看，接下來我們會做些什麼。」
一般來說，化學反應發生的時間非常短，通常以皮秒（10-12秒）計，反應過程中產生的中間體可以說是轉瞬即逝，幾乎沒有辦法捕捉到。倪康坤和團隊創造了500納開的低溫，將反應時間延長了100萬倍，達到微秒（10-6秒）級，雖然這個時間看起來還是很短，但研究人員已經可以通過光電離（photoionization）檢測設備直接觀察到中間體的存在了。
研究人員在將化學反應放慢100萬倍後，首次觀察到了化學反應的中間體。（Credit: Ming-Guang Hu, 圖源：chemistry.harvard.edu）
研究的第一作者、倪康坤實驗室的博士後研究員胡明光（Ming-Guang Hu，音譯）表示，這意味著我們又向超冷化學反應的量子控制前進了一步。
倪康坤和同事今天的成功，是幾代科學家共同努力的結果，從上世紀80年代原子冷卻技術的發明，到超冷原子、超冷分子的製備，都為超冷化學反應的實現，打下了堅實的基礎。
雷射冷卻
早在1917年，愛因斯坦就證明，原子吸收和發射光子後，動量會發生改變。正在行進中的原子被迎面而來的雷射照射，只要雷射的頻率和原子的固有頻率匹配，就會引起原子核外電子的躍遷，同時，這個過程又會發射同樣的光子，不過發射的光子是朝四面八方的。因此，原子每與光子碰撞一次，動量就會減小一點，直到最低值。
這幅漫畫形象地描述了雷射冷卻和捕獲原子的原理。（圖源：nobelprize.org）
科學家就是利用這個原理來冷卻原子的。所謂雷射冷卻，實際上就是在雷射的作用下使原子減速。上世紀80年代，當時在貝爾實驗室工作的物理學家朱棣文（Steven Chu），首次使用沿三個正交方向的6束雷射來「圍剿」原子，這樣不論原子向哪個方向運動，都會遇到光子，並被推回到雷射束的交匯處，從而達到更低的溫度。隨後，為了阻止「凍僵」的原子在重力作用下陷落，又有科學家研發出了磁光阱（magneto-optical trap）技術——使用6束雷射再加上磁場共同作用，將原子「囚禁」在一個很小的範圍里。
雷射冷卻和俘獲原子技術的出現，為分子和原子物理學打開了一個重要突破口，科學家終於可以在實驗室里對單個原子進行操控和研究。接下來的數年間，全球掀起了超冷科學研究的熱潮，科學家們不斷刷新雷射冷卻的溫度下限，從毫開一路降到了微開甚至納開。
1997年，由於開發出利用雷射冷卻和俘獲原子的技術，文章開頭出場的菲利普斯和朱棣文、法國物理學家克勞德·科恩-坦努吉（Claude Cohen-Tannoudji）一起，獲得了諾貝爾物理學獎。
宏觀的量子物體
當溫度低到納開量級時，原子的運動速度會降到只有每秒幾毫米（像蝸牛一樣慢），並呈現出極為詭異的一面——量子態。科學家形象地把這時原子和分子的運動狀態稱為「量子爬行」（quantum crawl）。
1924年，法國物理學家德布羅意（Louis de Broglie）就提出，自然界中所有粒子都具有波粒二象性（即同時具備波和粒子的特徵），也就是量子特性。但由於物質的波長與動量成反比，質量較大、溫度較高粒子的物質波（matter wave）波長非常小，小到超出了可以觀察到的極限。這也是為什麼質量較小的電子在常溫下即可呈現出量子態，但比它重數萬倍的原子卻需要降溫至納開量級時才能呈現出量子態。
1995年，在科羅拉多大學博爾德分校與美國標準技術研究院合作設立的研究機構——美國實驗天體物理學聯合研究所（Joint Institute for Laboratory Astrophysics，簡稱JILA），兩位物理學家——埃里克·康奈爾（Eric Cornell）和卡爾·威曼（Carl Wieman），將大約2000個氣態銣原子冷卻到170納開，並首次得到了一種被稱為玻色-愛因斯坦凝聚體（Bose–Einstein condensate，BEC）的宏觀量子態物質。這是一種全新的物態形式，不屬於氣體、液體、固體和等離子體，因此也被稱為物質的第五態。
1995年，埃里克·康奈爾和卡爾·威曼首次得到了被稱為玻色-愛因斯坦凝聚體的宏觀量子態物質。（Credit: Ken Abbott / University of Colorado at Boulder, 圖源：nist.gov）
威曼後來說，「我們將量子態的物質帶到了人類的宏觀世界，你可以戳戳它，刺刺它，並以前所未有的方式查看它。」他還形象地介紹說，玻色-愛因斯坦凝聚體相當於將所有原子合併成了一個「超原子」，這個「超原子」足夠大，可以在顯微鏡下觀察到，具有獨特的量子特性。
2001年，康奈爾、威曼和麻省理工學院的沃爾夫岡·凱特爾（Wolfgang Ketterle，另一位同期獨立獲得玻色-愛因斯坦凝聚體的科學家）共同分享了諾貝爾物理獎。
從超冷原子到超冷分子
倪康坤的博士生涯就是在科羅拉多大學博爾德分校度過的，她在那裡加入了威曼的研究組。從2003年博士入學到2009年博士畢業，除了威曼的指導外，她博士畢業論文的兩位指導導師——黛博拉·金（Deborah Jin，有一半中國血統，中文名為金秀蘭）和葉軍，同樣也是超冷領域的「大牛」。
2003年，黛博拉·金曾帶領團隊創造出了另一種新的物態——超冷費米子凝聚體（Fermionic condensate）。不過，黛博拉·金並沒有止步於此，她認為，超冷極性分子氣體將比原子氣體更有價值。
「要為更廣泛的行為創建量子模型，你不僅需要原子，還需要分子，分子之間的相互作用更加有趣。」黛博拉·金說，「在超冷原子氣體中，原子僅在彼此接觸時才相互作用，就像兩個球在碰撞後才會相互彈開一樣。但是，超冷極性分子不是這樣，即使它們相距一定距離，超冷極性分子也可以感覺到彼此，因為它們一端帶有正電荷，另一端帶有負電荷，可以像兩塊磁鐵一樣遠距離互相作用。」
2008年，黛博拉·金實驗室與葉軍實驗室合作，在350納開的溫度下，首次創造出了處於量子極限的超冷極性KRb分子。倪康坤的博士論文，介紹的就是她參與這項研究時所做的工作。這項研究具有開創意義，為超低能化學反應、量子相變和量子信息科學打開了新的研究方向。
2008年，黛博拉·金團隊與葉軍團隊合作，創造出了處於量子極限的超冷極性分子。（圖源：blog.adafruit.com）
令人惋惜的是，黛博拉·金雖然在2005年就當選美國科學院院士，成為當時美國科學院最年輕的院士，但在2016年因為癌症離開了世界，時年47歲。許多人都認為，如果她沒有去世，很可能會獲得當年的諾貝爾物理學獎。
量子控制：化學的聖杯
化學物理學家的終極夢想，也許是進行化學合成的量子控制。想像一下，如果你有一個分子，並且可以控制它的量子態，你就可以像組裝樂高模型一樣，用量身定製的雷射脈衝，在分子的任何位置斷裂化學鍵，並連上你想要的原子或基團。
註：化學物理學是物理學的一個分支，主要是利用原子和分子物理學和凝聚態物理學的技術來研究物理化學現象。
製造處於量子態的超冷極性分子凝聚物，是實現這一夢想的第一步。
科學家製備超冷原子時使用得最多的是鹼金屬元素，它們像氫原子一樣，最外層只有一個電子，電子能級系統比較簡單，方便冷卻和俘獲。但分子可以旋轉、振動並且通常具有複雜的電子能級系統，能量狀況要複雜得多，所以，直接冷卻分子非常困難。
黛博拉·金、葉軍和倪康坤沒有去啃「直接將分子冷卻到超冷狀態」這塊硬骨頭，而是採取了一種更簡單易行的方法，他們先將原子冷卻到超低溫，再將原子「粘合」在一起，形成超冷分子。這個領域目前已經取得了很多進展，但對科學家來說，實現超冷分子氣體的完全量子態控制，可能還是一個近期無法實現的夢想。
超冷原子和分子「超酷」的應用前景，也是激勵研究人員前行的動力。比如，我們可以利用超冷原子和分子移動速度更慢這個特性，製造出比現有原子鐘更精準的時鐘；利用超冷原子和分子對環境非常敏感這一點，製作重力和磁力梯度儀，測量所處的空間位置，甚至用於導航。此外，超冷原子和分子具有量子特性，有望作為量子計算的最小存儲單元，用於構建量子計算機。
在真空室中，NaK分子可以被冷卻到只有幾百納開，有望作為一種新型量子比特，用於構建未來的量子計算機。（Credit: Massachusetts Institute of Technology, 圖源：phys.org）
除了這些具體的應用，超冷氣體還可以作為基礎物理的研究工具，用於構建量子模型系統，以研究多體量子物理學（Many-body quantum physics，物理學的一個分支，研究大量相互作用的粒子的集體量子行為）。在超冷氣體構建的模型中，科學家不僅可以研究化學反應的量子控制，還可以研究任何依賴電子量子行為的複雜物理系統，涉及到的領域涵蓋凝聚態物理、核物理、等離子體物理、粒子物理，甚至天體物理
現在，倪康坤和同事正在著手繪製一個新奇的超冷量子化學和超冷分子世界。他們的最新研究表明，在這個超低溫的世界裡，即使最簡單的化學反應也會給我們帶來意外的驚喜。未來，如果真的能夠實現對超冷氣體反應的量子控制，肯會還會出現許多顛覆我們認知、不能用現有理論描述的現象。到時候，我們可能無法預見這些偶然的新發現，但我們期望，這些偶然出現時，科學家可以認出它們。
參考資料
[1] Liu, L. R., Hood, J. D., Yu, Y., Zhang, J. T., Hutzler, N. R., Rosenband, T., & Ni, K. K. (2018). Building one molecule from a reservoir of two atoms. Science, 360(6391), 900-903.
[2] https://chemistry.harvard.edu/news/coldest-reaction
[3] https://www.nsf.gov/discoveries/disc_summ.jsp?cntn_id=112558
[4] https://www.nobelprize.org/prizes/physics/1997/
[5] https://www.nobelprize.org/prizes/physics/2001/