物理学家首次观察到分子中罕见的共振

如果她的音调恰到好处，歌手可以打碎酒杯。原因是共振。虽然玻璃可能会因大多数声学音调而轻微振动，但与材料自身固有频率共振的音高会使它的振动过载，导致玻璃破碎。

共振也发生在更小的原子和分子尺度上。当粒子发生化学反应时，部分原因是特定条件以某种方式与粒子产生共振，从而促使它们发生化学反应。但是原子和分子一直在运动，处于一种模糊的振动和旋转状态。找出最终触发分子反应的确切共振状态几乎是不可能的。

麻省理工学院的物理学家可能已经通过发表在《自然》杂志上的一项新研究破解了这个谜团的一部分。该团队报告说，他们首次观察到超冷分子碰撞中的共振。

他们发现，当暴露在非常特殊的磁场中时，一团过冷的钠锂(NaLi)分子消失的速度比正常情况快100倍。分子的快速消失表明磁场将粒子调谐到共振状态，促使它们比正常情况下更快地做出反应。

这些发现揭示了驱动分子发生化学反应的神秘力量。他们还建议，有朝一日科学家可以利用粒子的自然共振来引导和控制某些化学反应。

“这是有史以来第一次发现两个超冷分子之间的共振，”该研究的作者、麻省理工学院JohnD.MacArthur物理学教授WolfgangKetterle说。“有人认为分子是如此复杂以至于它们就像一片茂密的森林，在那里你无法识别出单一的共振。但我们发现一棵大树脱颖而出，放大了100倍。我们观察到了一些完全出乎意料的事情。“

Ketterle的合著者包括主要作者和麻省理工学院研究生JulianaPark、研究生卢玉坤、目前在滑铁卢大学的前麻省理工学院博士后AlanJamison和内华达大学的TimurTscherbul。

一个中间的谜

在分子云中，碰撞不断发生。粒子可能像狂热的台球一样相互撞击，或者在一种称为“中间复合物”的短暂但关键的状态下粘在一起，然后引发反应将粒子转化为新的化学结构。

“当两个分子发生碰撞时，大多数时候它们不会达到中间状态，”贾米森说。“但当它们处于共振状态时，进入那种状态的速度会急剧上升。”

“中间复合物是所有化学背后的奥秘，”Ketterle补充道。“通常，反应物和化学反应的产物是已知的，但不知道一个是如何导致另一个的。了解分子共振可以为我们提供这种神秘中间状态的指纹。”

Ketterle的团队一直在寻找过冷原子和分子的共振迹象，这些原子和分子的温度刚好高于绝对零值。这种超冷条件抑制了粒子的随机、温度驱动的运动，让科学家们有更好的机会识别任何更微妙的共振迹象。

1998年，Ketterle首次观察到超冷原子中的这种共振。他观察到，当一个非常特定的磁场被施加到过冷的钠原子上时，该磁场增强了原子相互散射的方式，这种效应被称为Feshbach共振。从那时起，他和其他人就在涉及原子和分子的碰撞中寻找类似的共振。

“分子比原子复杂得多，”凯特勒说。“它们有许多不同的振动和旋转状态。因此，尚不清楚分子是否会显示共振。”

大海捞针

几年前，当时是Ketterle实验室博士后的贾米森提出了一个类似的实验，看看是否可以在冷却到绝对零以上百万分之一度的原子和分子混合物中观察到共振迹象。通过改变外部磁场，他们发现他们确实可以在钠原子和钠-锂分子中找到几个共振点，这是他们去年报道的。

然后，正如团队在当前研究中报告的那样，研究生Park仔细查看了数据。

“她发现其中一个共振不涉及原子，”凯特勒说。“她用激光吹走了原子，一种共振仍然存在，非常尖锐，而且只涉及分子。”

帕克发现，当这些分子暴露在一个非常特殊的磁场中时，它们似乎消失了——这是粒子发生化学反应的迹象——比它们通常消失的速度要快得多。

在他们最初的实验中，贾米森和他的同事应用了一个磁场，他们在1,000高斯范围内变化。帕克发现钠锂分子突然消失，速度比正常情况快100倍，在这个磁场范围的一小部分内，大约25毫高斯。与一米长的棍子相比，这相当于一根头发的宽度。

“需要仔细测量才能在大海捞针中找到针头，”帕克说。“但我们使用了一种系统化的策略来放大这种新的共鸣。”

最后，该团队观察到一个强烈的信号，表明这个特定的场与分子产生了共振。这种效应增加了粒子结合在一个简短的中间复合物中的机会，然后引发了使分子消失的反应。

总的来说，这一发现提供了对分子动力学和化学的更深入理解。虽然该团队预计科学家们无法在有机化学水平上激发共振和控制反应，但有朝一日可以在量子尺度上做到这一点。

“量子科学的一个主要主题是研究越来越复杂的系统，特别是当量子控制可能即将到来时，”哈佛大学物理学教授约翰多伊尔说，他没有参与该小组的研究。“这种共振，首先出现在简单的原子中，然后出现在更复杂的原子中，导致原子物理学取得了惊人的进步。既然在分子中看到了这一点，我们应该首先详细了解它，然后让想象力四处游荡，想想什么它可能有利于构建更大的超冷分子，或者研究有趣的物质状态。”