關於支援科學新聞業
如果您喜歡這篇文章，請考慮透過以下方式支援我們屢獲殊榮的新聞業 訂閱。透過購買訂閱，您將有助於確保未來能夠繼續講述關於塑造我們當今世界的發現和思想的具有影響力的故事。
一項新的研究表明，冷卻至具有近乎可忽略的碰撞運動的分子仍然可以彼此發生化學反應。在僅高於絕對零度幾百納開爾文的溫度下，研究人員甚至可以透過調整分子的量子態來改變化學反應的速度，從而為使用物理工具實現高度可控的化學反應鋪平道路。（一納開爾文是十億分之一開爾文。）
這項研究發表在2月12日刊的《科學》雜誌上，作者來自隸屬於美國國家標準與技術研究院（NIST）的兩家研究所：JILA，由NIST和科羅拉多大學博爾德分校聯合運營；以及聯合量子研究所，是NIST與馬里蘭大學帕克分校之間的合作機構。
2008年，一個包括許多相同研究人員的團隊宣佈創造了一種稠密的鉀-銣（KRb）分子氣體，溫度為幾百納開爾文。現在，這種超冷氣體已被證明會透過放熱化學反應衰變，因為其分子透過量子隧穿現象相互作用，在該現象中，粒子會跳過經典勢壘。在這種情況下，障礙是兩個經歷相互排斥的相同分子之間所謂的動量勢壘。
JILA物理學家和研究合著者Jun Ye說，在超冷溫度下，分子的經典物理概念變得不如量子力學概念有用。“它們太冷了，你不能再把它們想象成乒乓球之類的物體了，”Ye說。“它們真的是量子力學波。”這些波可以在相對較遠的距離上重疊，從而導致分子之間的遠端相互作用。“一旦它們感覺到彼此的存在，當它們的波函式開始重疊時，非常有趣的事情就開始發生了，”Ye說。在這種情況下，氣體分子交換原子形成K2和Rb2分子，然後逸出。
改變鉀-銣氣體中的起始條件突出了化學反應的量子力學性質。當所有分子都設定為相同的初始量子態時，氣體在幾秒鐘內衰變。但是，當分子以不同的狀態製備時——特別是，在自旋的異質混合物中——反應速度快了10到100倍。這種差異是泡利不相容原理的邏輯延伸：相同的分子會相互排斥，以避免同時佔據同一位置。
“為了讓它們彼此靠近，它們必須克服這個動量勢壘，”Ye說。“隧穿才是真正發生的事情；它們正在隧穿這個角動量勢壘。”可區分的分子——那些具有不同自旋的分子——可以更自由地靠近。
Jeremy Hutson是英國杜倫大學的化學教授，他為《科學》雜誌撰寫了關於這項研究的評論。他說，在超冷狀態下可能實現的精細尺度物理操縱提供了相應的化學控制水平。“我認為在這種情況下，選擇性是 remarkable 的，”Hutson 說。“你可以做出像翻轉單個核自旋這樣微小的改變，並完全改變反應的程序。”
Hutson 說，未來可能很快就可以一次作用於整個原子或分子群體。“如果你願意，這個通用領域，即超冷化學的優勢在於，未來有可能以連貫和受控的方式在整個分子樣品上進行化學反應，”他說。
但是，既然 JILA 和聯合量子研究所的研究人員已經展示了化學反應在超冷溫度下可以多麼容易地進行，Ye 希望找出如何防患於未然，以延長鉀-銣氣體的壽命，目前鉀-銣氣體在約一秒鐘內開始發生化學降解。“我們的目標是能夠抑制這些反應，”Ye 說。“既然我們已經可以理解和控制它們，那麼下一步就是真正學習如何消除它們。”