冻结化学反应来研究量子领域

时间:2019-11-30 00:58 来源:seo 作者:杏鑫 点击量:

  

冻结化学反应来研究量子领域

 

  化学反应将反应物转化为生成物,通过中间状态使化学键断裂并形成。通常太过短暂以至于无法观察到,这个阶段迄今为止还没有进行过深入的研究。

  通过将反应物(这里是铷钾分子)的旋转、振动和运动“冻结”到500纳克尔文的温度(刚好高于绝对零度),产物在能量上允许的出口数量是有限的。“被困”在中间物中的时间要长得多,然后研究人员可以通过光电离检测直接观察这一阶段。这项技术为用超冷分子进行化学反应的量子控制铺平了道路。

  利用超冷化学,研究人员可以第一次看到化学反应中到底发生了什么。

  已知宇宙中最冷的化学反应发生在一片混乱的激光中。外表具有欺骗性:在那精心组织的混沌的深处,在比星际空间还要冷数百万倍的温度下,倪康坤实现了精确的壮举。她迫使两个超冷分子相遇并发生反应,打破并形成了分子偶联史上最冷的化学键。

  “可能在未来几年,我们是唯一能做到这一点的实验室,”Ni实验室的博士后学者胡明光说,他是他们今天(2019年11月29日)发表在《科学》杂志上的论文的第一作者。五年前,莫里斯·卡恩(Morris Kahn)的化学和化学生物学副教授、超冷化学的先驱者倪刚(Ni)着手建造一种新仪器,它可以在任何现有技术中实现最低温度的化学反应。但他们不能确定他们的复杂工程是否可行。

  现在,他们不仅完成了最冷的反应,他们还发现他们的新仪器可以做一些他们没有预料到的事情。在如此寒冷的环境中——500纳米elvin或者仅仅比绝对零度高百万分之一度——他们的分子速度慢得像冰川一样,倪和她的团队可以看到一些以前没人能看到的东西:两个分子相遇形成两个新分子的时刻。本质上,他们捕捉到了化学反应中最关键、最难以捉摸的行为。

  

冻结化学反应来研究量子领域

 

  化学反应负责几乎所有的事情:呼吸、烹饪、消化、产生能量、药物和像肥皂这样的家用产品。因此,了解它们在基本层面上是如何工作的,可以帮助研究人员设计出世界上从未见过的组合。有了几乎无限种可能的新组合,这些新分子可以有无穷无尽的应用,从更高效的能源生产到防霉墙等新材料,甚至是更好的量子计算机积木。

  在她之前的工作中,倪用越来越低的温度来产生这种化学魔法:从原子中锻造出永远不会发生反应的分子。当原子和分子被冷却到这样的极限时,它们的速度就会慢到量子爬行的程度,也就是它们可能的最低能量状态。在那里,Ni可以极其精确地操纵分子间的相互作用。但就连她也只能看到反应的开始:两个分子进去,然后呢?中间和结尾所发生的事情是一个只有理论才能解释的黑洞。

  化学反应发生的时间只有十亿分之一秒,在科学界更广为人知的是皮秒。在过去的20年里,科学家们已经使用了超快激光,就像快速照相机一样,捕捉反应发生时的快速图像。但他们不能捕捉到整个画面。“大多数时候,”倪说,“你只能看到反应物消失,生成物出现在你能测量的时间内。没有直接测量中间到底发生了什么。“直到现在。

  镍的超高温迫使反应速度相对缓慢。“因为(分子)太冷了,”倪说,“现在我们有点瓶颈效应。当她和她的团队对两个钾铷分子进行反应时——选择它们的柔韧性——超低温迫使分子在中间阶段停留几微秒。微秒——只有百万分之一秒的时间——可能看起来很短,但这比通常的时间长了数百万倍,这足以让倪和她的团队研究化学键断裂和形成的阶段,从本质上讲,就是一个分子变成另一个分子的过程。

  倪说,她和她的团队可以利用这一亲密的视角来测试预测黑洞反应的理论,以确认他们的预测是否正确。然后,她的团队就可以构建新的理论,利用实际数据更精确地预测其他化学反应中会发生什么,甚至是那些发生在神秘的量子领域的化学反应。

  这个团队已经在探索他们还能从超级试验台中学到什么。接下来,例如,他们可以操纵反应物,在反应物发生反应之前刺激它们,看看它们的高能量如何影响结果。或者,它们甚至可以在反应发生时影响反应,轻推一个分子或另一个分子。“由于我们的可控能力,这个时间窗口足够长,我们可以进行探索,”胡说。“现在,有了这个装置,我们可以思考这个问题。没有这项技术,没有这张纸,我们甚至无法思考这个问题。”

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