分子達到有史以來最低溫度

物理學家將分子冷卻到略高於絕對零度的溫度——比大爆炸的餘輝還要冷

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物理學家將分子冷卻到略高於絕對零度的溫度——比大爆炸的餘輝還要冷。

科學家們創造了這種超冷原子,這些是科學家們所創造的最冷的分子(由兩個或多個化學連線的原子組成)。這項成就可能會揭示在令人難以置信的低溫下發生的奇怪物理現象。

在正常的日常溫度下,原子和分子在我們周圍以超快的速度飛馳,甚至相互碰撞。然而,當物質變得極冷時,會發生奇怪的事情。物理學家們認為,這些粒子將不再像個體一樣飛馳和碰撞,而是會像一個整體一樣表現。人們認為結果是以前從未觀察到的奇異物質狀態。[物理學中9個最大的未解之謎]


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為了探索這種寒冷的情景,麻省理工學院的一個由物理學家馬丁·茨韋爾林領導的團隊使用雷射冷卻鈉鉀氣體,以耗散單個氣體分子的能量。他們將氣體分子冷卻到低至500納開爾文的溫度——僅比絕對零度高5000億分之一度(零下459.67華氏度,或零下273.15攝氏度)。這比星際空間冷一百萬倍以上。(他們實驗中氣體的密度非常小,在大多數地方都可以被認為是近真空。)

他們發現分子非常穩定,並且傾向於不與其他周圍的分子發生反應。他們還發現分子顯示出很強的偶極矩,這是分子中電荷的分佈,決定了它們如何吸引或排斥其他分子。

和鉀通常不會形成化合物——兩者都帶正電荷,所以它們通常會互相排斥,並被氯等元素吸引,氯可以形成食鹽(NaCl)或氯化鉀(KCl)。麻省理工學院的團隊使用蒸發,然後使用雷射來冷卻單個原子雲。然後,他們施加一個磁場,使它們粘合在一起形成鈉鉀分子。

接下來,他們使用另一組雷射來冷卻鈉鉀分子。一個雷射的頻率與分子的初始振動狀態相匹配,另一個雷射的頻率與分子的最低可能狀態相匹配。鈉鉀分子從一個雷射中吸收較低的能量,並將能量發射到較高頻率的雷射中。結果是分子處於非常低的能量狀態和一個極冷的分子。

這種分子仍然不如日常化學品那樣穩定,僅持續2.5秒就分解了,但在處理這樣的極端條件下,這已經是很長的時間了。這是進一步冷卻分子,以觀察理論預測的一些量子力學效應的一步。這種效應已經在像氦這樣的單一原子物質中得到證實,但在分子中從未得到證實,分子由於旋轉和振動而更加複雜。例如,超冷的氦會變成一種沒有粘性的液體——超流體。理論上,分子也可能進入這種奇異狀態。

這項研究發表在5月22日的《物理評論快報》雜誌上。

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