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最近，有篇科学新闻的出镜率颇高，“中国科大在超冷化学量子模拟领域取得重要进展”的新闻见诸各大媒体报端，中国科学技术大学潘建伟教授及其同事赵博、陈宇翱等在超冷分子和超冷化学量子模拟研究领域取得了重要进展。不过中科大发出这样的新闻，许多读者可能只从字面知道了科学家们又做出了很棒的工作，却不知道科学家们具体做了啥。 今天，小编就来做篇“接地气”的科普，给大家讲讲这个实验都干了什么，有什么意义。 关于一场“外遇” 这个实验从字面上理解，其实很“简单”。科学家们拿两个超简单的物质，让他们发生了化学反应，然后测量了这两种物质在化学反应的过程中都干了啥。这两种物质有多简单呢？一个是弱束缚分子AB——它由两个彼此的束缚力很弱的原子A和B组成，一个是自由原子C，因为命运的轮盘转动，他们相遇了，因为羁绊太浅，A和B不得已分开，A和C重组“家庭”，成为了新分子AC，B则落寞地恢复了“自由身”。 B就这样被C撬了墙角，怎么办？ 他们都是身不由己，因为这场爱情的悲剧，根本就是科学家们“一手操控”的（悲愤脸，小编入戏太深）！而且，科学家们还无情地将他们的分手过程进行了360度无死角观测，并且详细的记录了下来，并且验证了化学反应的可操控性。 看似简单，ABC的这段情感大戏可是具有重大意义的，科学家们宣称，这个实验的实现使得向基于超冷分子的超冷量子化学的研究迈进了重要一步，超冷？量子？化学？这三个名词是怎么联系在一起的呢？ “跨界”观测 大家对量子物理的了解可能更多的是量子通信、量子计算等，那么量子世界和超冷原子、化学反应为什么又扯上了关系？量子物理科学家们怎么一只脚跨入了化学界？事实上，对超冷原子和分子的研究正是量子计算与模拟的一种实验手段。 20世纪，人们在研究电子运动的时候，发现如果想要计算300个电子运动所需要的数据量，已超过了整个已知宇宙的原子数总和！因此，费曼提出“以量制量”，用人工可控的量子比特，来计算一个真实的、复杂的量子系统的演化。这就是量子计算与模拟的起源。诺贝尔物理学奖获得者、麻省理工学院的Frank Wilczek教授曾在《今日物理》(Physics Today)发表的专题报道“未来百年的物理学”中指出，量子模拟“将成为化学和材料科学的核心工具。” 随着技术的发展，人们已经可以对超冷原子的状态和相互作用进行精确得到操纵，因此超冷原子成为了量子模拟最理想的载体之一。之前墨子沙龙发布的两个大新闻，一个是中科大冷原子实验室在国际上首次实现玻色-费米双超流，另一个是科大与北大共同在国际上首次理论提出并实验实现超冷原子二维自旋轨道耦合的人工合成，两者都是利用对超冷原子的操纵与观测，获得了量子领域活动规律的研究。
而超冷分子实验室设计并搭建的这套装置，则是通过对超冷分子的研究，了解量子力学是如何“影响”化学反应的。我们都知道，在宏观世界，我们使用的是牛顿三定律和其它宏观的物理、化学规律，但是到了微观世界，就是量子力学说了算了，大家都得遵守量子“规律”，化学反应也是如此。让人惊喜的是，在宏观世界，我们是无法精确的观测到化学反应中的每个细微步骤和规律的，而到了超冷分子的微观世界，这个观测成为了可能。 究竟科学家们如何利用超冷分子进行量子化学研究呢？ 基本概念 在揭晓答案之前，我们先来复习一下高中物理和化学。
我们知道，任何物体都是有温度的，温度是怎么产生的？比如一团空气，它是由各种原子和分子组成的，这些粒子就像是顽皮的小朋友们，一直跳来跳去（振动）、扭来扭去（转动），在跳来跳去的过程中，它们彼此之间还会发生碰撞。任何（宏观）物理系统的温度都是组成该系统的分子和原子的运动的结果。这些粒子的速度分布遵循某个概率分布的规律，如果这个系统处于或接近平衡状态，这些大量的粒子中处于一个特定速度范围的粒子所占的比例几乎不变，这个概率分布就是麦克斯韦-玻尔兹曼热分布（以下简称玻尔兹曼热分布）。有了玻尔兹曼热分布，只要知道了气体的温度，就可以计算出它内部的粒子宏观的运动状态分布。
而普通的化学反应，又称常温或低温下的化学反应，反应物和产物内态都是经典热分布的，也就是遵循玻尔兹曼热分布。刚才讲到，分子们就像小朋友，活力十足，一直振动、转动，而宏观世界现有的科研条件就像是幼儿园的老师们，如果让他们观察，只能观察到很多态的综合平均（小朋友们9点左右到校、10点左右上课、12点左右吃饭、15点左右放学），无法单个测量他们的状态的（详细记录每个小朋友入学到离校的每个动作、每个表情）。 而且，分子与分子或者分子与原子碰撞过程中有很多分波成分s波、p波、d波等等，波动成分越多处理起来越复杂（小朋友们自己运动的动作和表情老师记录起来就很难了，更别说小朋友们互相碰撞的动作轨迹、表情变化了，老师也没什么公式可以计算出来）。所以说，在常温或者低温下，实验上科学家们只能测量多个内态和分波的平均结果，理论上也无法进行精确的计算。
这可怎么办？感觉研究陷入了瓶颈啊，这时候，轮到超冷原子物理出场啦！
如果说常温下的化学反应，就是几十个活泼的小朋友们嬉笑打闹、碰撞追逐，发生互动（化学反应）；超冷分子实验室做的，就是首先把“幼儿园”的温度调低，小朋友们的速度逐渐降了下来、做的动作也越来越单调，最后，他们只能做向前走的动作，然后，老师们再选出三个孩子，把他们分成两组，并进行队友交换，观察他们之间的“碰撞”（发生化学反应），精确的记录和测量，并且因此推算出孩子们常温下“向前走”这一动作的运动“规律”。 化学反应的本质就是粒子之间的碰撞，通过碰撞研究相互作用，在常温层面下，这种碰撞就是硬球碰撞。而在超低温下，原子和分子由德布罗意波来描述，量子力学会显著影响化学反应的行为。分子可以处在单个精确的量子态上面，反应的产物也可以是精确的量子态；分子与分子或者分子与原子，只需要考虑最简单的s波碰撞，就是完全各向同性，理论处理起来更加方便。从理论上来说，超低温下的化学反应是最有可能将理论计算和实验测量进行精确比较的反应。 实验的意义和难度 可能有读者要问了，我已经了解了这个实验的内容和原理了，可是，这个实验有多厉害，在业内处于什么地位呢？ 这位读者，你提的问题很有深度！ 首先，我们来看看业内的评价。超冷分子实验室投稿的《自然·物理》审稿人评论，“探测超冷化学反应的产物是目前一个主要的研究目标，而本工作是迈向这个目标的第一步”（Imaging the reaction products of ultracold chemical reactions is currently a major research goal and this manu is a first step towards this goal），“我认为这个工作是超冷化学领域的一个重要里程碑，化学和物理研究者都将对其持有广泛的兴趣”（I feel the results are an important milestone in the field of ultracold chemistry, and of broad interest to researchers in both chemistry and physics）。 1978年，化学家W. Stwalley指出，弱束缚长程分子具有与通常振转能级的分子截然不同的反应机制，弱束缚分子的反应会选择性通过一个反应通道进行。但由于弱束缚分子常温下不能存在，长期以来这一预言一直无法得到实验检验。
接下来，让我们来聊聊实验难度，在AB C－﹥AC B这个过程中，A是钠原子，B和C都是钾原子，B和C的区别在于它们是处于不同的内态的钾原子（不同的内态指不同的磁子能级）。而AB、AC这两种分子，则是只有超冷原子领域的物理学家才能制备，常规化学家制备不了的特殊分子。因为他们之间的束缚太弱，能量太低，温度一高，分子态就被破坏了。也就是说，温度一变高，AB还没遇到C呢，就自动分手了。而且，这种特殊分子的理论，也不是一般化学家熟悉的，所以目前主要是物理学家和部分化学物理学家在做这方面的工作。 实验的地位 最后，让我们来看看这个实验在超冷分子化学发展过程中的历史地位。 近年来，随着超冷原子超冷分子技术的发展，超低温分子化学反应的研究才逐步开展。2010年，美国科罗拉多大学的D. Jin和叶军的联合实验小组，观测到了超低温下铷钾基态分子之间的碰撞化学反应。同年，奥地利因斯布鲁克大学的R.Grimm小组报道了弱束缚铯分子发生的碰撞化学反应。超冷分子的化学反应的实验实现开辟了原子分子物理领域一个新的研究方向——超冷化学。 然而, 尽管超冷化学反应的研究取得了重要的实验进展，但这些实验都只能测量反应物的损失，而无法对反应的产物的进行观测和标定量子态，从而无法研究态态的反应动力学。也就是说，他们测量不了AB遇到C后是怎么分手的，只能根据分手后的产物（比如眼泪）来反向推测这个分手过程。而态态反应速率是化学反应动力学实验中的能测量的最基本和最精密的物理量，也是研究化学反应机理最重要的物理量之一。 整个超冷分子界都一直致力于解决这个问题，哈佛大学的Ni Kang-Keun小组专门搭建了一个实验平台尝试测量产物，德国乌尔姆大学的J. Denschlag利用电离分子的方法来探测铷分子的态态的化学反应。但在本实验之前，他们都还没有实验实现超低温下态态化学反应。 而潘建伟团队的超冷分子实验室是第一次在超冷化学反应中观测到态态的化学反应，将化学反应动力学的实验研究推进到量子水平。他们首创的超冷原子 超冷分子的混合系统上做出的工作，第一次测量了超低温下态态的反应速率常数，将化学反应动力学的实验研究带到了量子水平。 这时候可能又有读者要提问了，那既然化学家也不能做，好多国际上的超冷实验室都没做到，为啥中科大的超冷分子实验室就能做到呢？ 在实验中，他们巧妙的利用弱束缚分子的束缚能可以调节的特性，通过调节磁场来精确控制反应中释放的能量，从而实现对反应产物的囚禁。在此基础上，他们利用精密的射频场操作技术，成功探测了反应的分子产物和原子产物，并对它们的量子态进行标定。他们进一步研究了态态反应动力学，测量了超低温下态态的反应速率常数。他们不仅第一次观察到完整的化学反应过程，观测到了完整的反应产物；并且测量到产物产生的动力学过程，并第一次可以根据产物来标定超冷化学反应的行为，比如反应速率系数（化学实验里的反应是由无数个这种微观反应组合在一起构成的）。 值得一提的是，超冷分子实验室的成员们花费了三年半的时间亲自设计、搭建了实验平台，仅用半年时间，就取得了目前的实验成果，证实了弱束缚分子之间化学反应通道的选择性，验证了W. Stwalley约40年前的预言。 小编采访了文章的第一作者，他谦虚的表示，能够实验实现超低温下态态化学反应是因为幸运女神的眷顾。不过小编认为，隐藏在运气背后的，大概还有四年耐得住寂寞的钻研，每周七天、每天12小时的工作，和一心一意为了某个目标奋斗的意念吧。而在终于迈出重要一步后，这些青年科学工作者们，就要沿着自己开拓的道路，向着目标奔跑了。
看完还是一头雾水？没关系，想要更直观的解读，可以关注今天的第二条推送，墨子沙龙Xsheldon原创科普漫画“物理学家在绝对零度附近，观察原子‘恋爱’和分子‘分手’” |
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