物理學家終於測量出，一種長期以來都只是理論上的、由光與物質所構成的分子

Arcman · 发表于 2022-8-14 23:24

物理學家終於測量出，一種長期以來都只是理論上的、由光與物質所構成的分子

明日科學
AUTHOR Сергей Хуан
Published on 2022-08-14

物理學家們剛捕捉到，在一種鍵結鬆散的分子中，光可以作為原子之間的「膠水」。

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2022-8-14 23:24 上传

理論基礎

奧地利因斯布魯克大學（University of Innsbruck）的物理學家馬提亞斯·桑萊特納（Matthias Sonnleitner）博士後研究員說：「我們第一次成功地在控制的方法下，使數個原子極化在一起，在它們之間創造出可量測的吸引力。」

原子以各種方式連接來形成分子，而這些方式都包括電荷的交換，作為一種「超級膠」。有些會共享帶負電的電子，形成相對強的鍵結，最簡單的從比如我們經常吸入的氧氣，就是兩顆連體的氧原子所形成，到漂浮在太空中的複雜烴。有些原子則憑藉它們整體電荷上的差異而互相吸引。

電磁場能夠改變原子周圍電荷的排列。由於光是一種快速變化中的電磁場，因此理論上，一陣方向被適當引導的光子雨，可以將電子推到適當的方向，而看到它們鍵結。

維也納工業大學（Technical University of Vienna，TU Wien）的物理學家菲利普·哈斯林格助理教授（Philipp Haslinger）解釋說：「如果你現在打開外部電場，會改變一點電荷分佈。正電荷會稍微往一個方向偏移，負電荷會稍微往另一個方向偏移；此時原子突然有正極端與負極端，它就被極化了。」

實驗設計

哈斯林格助理教授、TU Wien 的原子物理學家米拉·麥沃格博士（Mira Maiwöger）與其同事們使用了超冷銣原子來展示出，光確實能夠以幾乎相同的方式來極化原子，讓本來中性的原子變得有點黏性。

麥沃格博士說：「這是一個非常弱的吸引力，所以你必須非常小心地進行實驗，才有辦法測量它。如果原子有很多能量，且正快速移動的話，那吸引力很快就會消失了。這就是為何我們使用極冷的原子。」

研究團隊使用了磁場，在單一平面中一鍍金的晶片底下，捕獲約 5000 顆原子的原子雲。在那裡，他們將原子冷卻到趨近絕對零度（攝氏 -273 度），形成準凝態（quasicondensate）。如此一來，銣粒子開始集體行動，並且共享性質，就如同它們在物質的第五態般，但程度完全不同。

藉由雷射照射，原子承受了各式各樣的力。舉例來說，來自入射光子的輻射壓力能夠將原子沿著光線方向推動。同時，電子間的反應能夠將原子拉往光線最強烈的部分。

實驗發現

為了偵測在此電磁場的激流當中，被認為會出現在原子間的微弱吸引力，研究人員必須進行一些仔細的計算。.

當他們把磁場關掉時，在原子抵達雷射光場之前，它們會自由落體約 44 毫秒。在該雷射光場，研究人員亦使用擇面照明螢光顯微技術（light sheet fluorescence microscopy，LSFM）來拍攝影像。在自由落體之間，由於原子雲自然地擴張，所以研究人員能夠在不同密度之處進行測量。

在較高密度處，麥沃格博士與其同事發現，在他們拍攝的觀測影像中，有達 18% 的原子消失了。他們相信，消失的原因是由於光所協助造成的碰撞，將銣原子從原子雲當中被踢出。

這展示出了部分發生中的事，不是只有入射光影響著原子，還有其他散射原子的光也是。隨著光碰觸到了原子，光就給了它們極性。

取決於所使用的光的類型，原子不是被更大的光強度所吸引，不然就是被排斥。因此，它們不是被推向低光強度區域，就是被推向高光強度區域，但在每個情況下，它們最終都會聚集在一起。

麥沃格博士與其同事們在論文中寫到：「通常的輻射力、與（由光觸發的）互動間最基本的不同在於，後者是有效的粒子與粒子間的互動，是由散射的光所調節的。它並沒有將原子們困在固定的位置（比方說雷射光的焦點），而是將它們拉向粒子密度最大的區域。」

未來應用

雖然這股將原子聚集起來的力，比起我們更熟知的分子力還要來得弱，但是在大尺度上，它就能夠加大。它們可以使放射模式與共振線偏移，而這些特徵是天文學家所用來告知我們，他們對天體的理解的特徵。它也可以幫助解釋分子是如何在太空中所形成的。

哈斯林格助理教授說：「在廣袤的太空當中，微小的力量可能扮演重要的角色。在此，我們首次能夠展示出，電磁輻射可以在原子之間產生力，這可能可以幫忙在還沒有解釋過的天體物理學情境中闡明新觀點。」

參考資料：

Koumoundouros, T., (2022, August 4). Physicists Finally Measure a Long Theorized Molecule Made From Light And Matter. ScienceAlert
Maiwöger, M. et al., (2022, July 27). Observation of Light-Induced Dipole-Dipole Forces in Ultracold Atomic Gases. Physical Review X. doi/10.1103/PhysRevX.12.031018
圖片來源：https://www.sciencealert.com/physicists-finally-measure-a-long-theorized-molecule-made-of-light-and-matter（圖：Harald Ritsch/TU Wien）

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