化学反应通常随机的发生在两种反应物之间，化学家会将大量的原子在适当的条件下放到一起，剩下的事情就交给概率了。如果元素的结合是适合的匹配，那么这种“随机”的化学反应发生方法就没什么问题。但如果科学家想要在实验室中将某些特别的原子配对时，就需要更强大的创造力了！
○ Kang-Kuen Ni | 图片来源：Rose Lincoln/Harvard file photo
来自哈佛大学的化学家 Kang-Kuen Ni 和她的同事在这一方向上更进了一步，他们首次在实验室中将两个原子结合，形成所谓的偶极分子（dipolar molecule）。这是目前世界上控制得最为精确的化学反应。
当原子的结合让化学反应发生时，原子变成了分子；分子又成了化学和生命的基石。在这之前，实验室将成堆的原子结合在一起以制造分子，再用平均值来测量这些反应。这样做的主要目的是为了更多地了解分子间的相互作用，从而实现对反应化学的控制，以及设计新的量子材料。
而在 Ni 领导的实验中，他们所采用的是两个原子分别是钠（Na）和铯（Cs），这两种元素都位于元素周期表的同一组中，这意味着它们具有非常相似的反应性质，同时也意味着它们不会轻易因碰撞结合成分子。虽然概率很低，但并不意味着绝不可能：如果两个原子恰好以正确的能量足够靠近，就可以形成连接。
Ni和她的同事首先将这两种原子冷却至非常低的温度，这时超越气体、液体和固体的新量子相就会出现。研究人员接着利用激光来捕捉原子，并在一个光偶极阱中将它们合并。当两个原子处于“激发态”（excited-state），产生分子的反应就会发生。
Ni表示：“每个反应都是如此，原子和分子在微观层面上会单独结合。我们所做的不同之处是要对其进行更多的控制。利用光镊捕捉两种不同的原子，并发射激光脉冲使它们结合。整个过程发生在空气密度非常低的超高真空中。”
虽然结合产生的分子的寿命很短暂，但实验证明了化学反应过程是可以被精准控制的。
研究人员宣称，此次的发现对未来的量子计算机或许有着重要意义，因为偶极分子NaCs能构成一种新型的量子比特——量子信息的最小单元，将产生更高效的设备。
Ni 说：“量子信息处理的方向是我们为之兴奋的原因之一。在日常生活中，我们需要分子能用于所有不同的应用。但是分子的空间非常巨大，目前的计算机还不足以使我们对其进行充分的探索。如果我们能拥有可以解决复杂问题且有效探索分子空间的量子计算机，那这一研究结果的影响将是深远的。”
下一步，Ni 和她的团队打算通过在“基态”（ground-state）而非激发态将它们结合，从而创造出更持久的分子反应。Ni 认为之后将会有越来越多的科学家尝试类似的实验，因为这次的成功已经充分体现了——虽然精确的控制一个化学反应的过程非常困难，但却是有可能实现的。既然已经有了在实验室中创造出偶极分子的成功案例，那么就也有可能创造出更大更复杂的分子。
这样的研究结果足以令所有化学家为之兴奋，因为在最基础的层面控制分子间的相互作用是物理科学长期以来的一个目标。
编译：二宗主
参考链接：
https://news.harvard.edu/gazette/story/2018/04/two-atoms-combined-in-dipolar-molecule-for-first-time/
https://www.sciencealert.com/dipole-molecule-created-using-laser-trapped-sodium-caesium-atoms
http://science.sciencemag.org/content/early/2018/04/11/science.aar7797
发表于 2018-4-18 14:20
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