一项几乎不可能的任务
当一名歌唱家唱出恰到好处的音高时，是有可能将玻璃酒杯震碎的。其背后的原因在于共振。
其实，每个物理系统或物体都有其固有的共振频率。以玻璃为例，许多声频都可能导致玻璃等材料产生轻微振动，但只有当声音的音调与材料自身的固有频率相同时，才会导致振动过度，从而破碎。
在微小的原子和分子级尺度，共振也扮演着重要角色。在微观世界，粒子之间的化学反应就是部分因为一些特定的条件与粒子发生了共振，促使它们发生化学联系。
然而，由于原子和分子一直在运动，处于一种模糊的振动态和转动态，所以想要找出最终触发了分子反应的确切共振态，几乎是一项不可能完成的任务。
现在，在一篇新发表于《自然》杂志上的研究中，一个科研团队报告说，他们首次在碰撞的超冷分子中观察到了共振，可能为这一谜题提供了部分解。
一种关键的中间态
1998年，这项研究的作者之一Wolfgang Ketterle就与合作者首次在超冷（温度略高于绝对零度）原子中观察到了共振。超冷的环境条件会抑制粒子受温度驱动而产生的随机运动，从而让科学家有机会更好地识别各种微妙的共振迹象。
当时，他发现当对超冷的钠原子施加一种特定的磁场时，原子之间相互散射的方式会得到增强，这种现象便是费希巴赫共振。费希巴赫共振指的是当两个超冷原子或分子在碰撞后，短暂形成复合物时会出产生的共振。
自那之后，科学家们在各种与原子-原子碰撞系统，以及原子-分子碰撞系统撞中，发现过这种共振。然而分子比原子要复杂得多，它们有很多不同的振动和转动态。因此一直以来，科学家们并不清楚分子-分子碰撞系统是否也能产生共振。
在一个分子云中，碰撞无时无刻在发生。有时，碰撞过后的分子会短暂地黏在一起，形成一种“中间复合物”（intermediate complex），并引发化学反应的发生。
两个相同的分子共振时，它们在碰撞时会形成中间复合物。中间复合物会引发反应，将分子转化为一种新状态。（图/Juliana Park via mit.edu）
在多数情况下，两个分子在碰撞时是无法形成这种中间态的，但当它们共振时，进入这种中间态的概率就会急剧上升。中间复合物是所有化学背后的奥秘。因此，分子的共振可以为化学家窥视这种神秘的中间态提供线索。
一种罕见的共振
2022年3月，Ketterle与他当时的博士后研究员Alan Jamison等人在《科学》杂志上发表了一项研究，他们采用类似的实验方法，通过改变外部磁场，在冷却到仅比绝对零度高百万分之一度的钠原子和钠锂分子之间，捕捉到了几种共振。
在这项研究的后续分析中，Ketterle的一名博士研究生Juliana Park注意到，其中一种共振与原子无关。
Park发现，当这些粒子暴露在一个特定的磁场中时，分子看起来消失了（表明发生了化学反应）的迹象比普通情况下要快100倍。在Jamison的实验设计中，磁场值的变化范围非常广泛，而捕捉到的这种钠锂分子以超快速度突然消失的情况，只发生在极其狭窄的磁场值范围内。因此这项测量无异于大海捞针，需要付出十分的细心和谨慎才能完成。
在新的实验中，Park采用激光将原子“吹”走，并通过调节磁场的强度，最终成功地在分子之间观察到了一个强烈的费希巴赫共振信号。
一种控制反应的新方法
这是第一次发现两个超冷分子之间的共振。总的来说，这一发现让我们对分子动力学和化学有了更深入的了解，揭示了促使分子发生化学反应的神秘力量。
研究人员希望，有朝一日可以利用粒子的自然共振来引导和控制某些化学反应。虽然他们并不奢望能够在有机化学水平上激发共振，引导反应发生。但他们相信在量子尺度上实现这一目标是有可能的。
#创作团队：
撰文：小雨
排版：雯雯
#参考来源：
https://news.mit.edu/2023/rare-resonance-ultracold-molecules-0201
https://www.nature.com/articles/s41586-022-05635-8
#图片来源：
封面图&首图：Juliana Park via mit.edu
发表于 2023-2-9 04:01
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