科学家制造出有记录以来最冷的大分子——它有一个超级奇怪的化学键

四原子分子打破了最冷大分子的记录。

科学家最近创造了一种前所未见的四原子分子——有史以来最冷的同类分子。

研究人员创造了这种奇怪的分子——一种具有超长化学键的奇怪的钠钾结构——温度为 134 纳开尔文，即仅比绝对零高出 134 十亿分之一度。他们于 1 月 31 日在《自然》杂志上描述了这种超冷材料。

超冷系统对于理解量子行为至关重要，因为量子力学（控制亚原子粒子的规则）在低温下占主导地位。这些设置还使科学家能够精确控制粒子的能量以创建量子模拟，从而用我们不完全理解的物理学来模拟其他量子系统。例如，研究超冷分子系统中的量子行为有一天可以帮助科学家确定高温超导体所需的材料特性。

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问题在于存在一个固有的权衡：过于简单的超冷系统可能无法捕获有趣的量子系统中的全部行为。但如果复杂性增加，设计有效的实验就会变得更加棘手。

荷兰格罗宁根大学量子光学研究员 Roman Bause 表示：“人们通常使用原子或离子，而使它们在一定程度上可控的原因是量子态数量相对有限。” ，告诉生活科学。

“但如果我画出一个分子的所有量子态，它将填满一本厚书。它是一百万个左右的状态的因数。”

所有这些额外的量子态提出了更有趣的量子问题，但也使分子难以冷却。

为了解决这个问题，在这项新研究中，德国马克斯·普朗克量子光学研究所的物理学家罗新宇和国际合作者使用了多步冷却过程，从激光冷却开始创造破纪录的分子。

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这种冷却方法使用从各个方向向移动原子发射的激光束。原子吸收光并进入激发量子态，然后立即释放能量返回基态。但是，由于原子相对于激光束的移动方式（称为多普勒效应），原子释放的能量比吸收的能量多一点，从而冷却了自身。

“将这种技术用于分子的问题在于，不只有一个基态。你可能需要数千个激光束，而且这需要太多的技术努力，”鲍斯说。

然而，超冷原子是构建超冷分子的绝佳起点。 Shi 的团队使用超冷钠 (Na) 和钾 (K) 原子的混合物，将这些单个粒子微弱地结合成双原子 NaK 分子。

这才是技术困难真正开始的地方。 “关联冷原子的问题是你在这样做的时候会加热它们，所以你需要另一种冷却技术，蒸发冷却，”鲍斯说。

由于无人完全理解的原因，在这些冷却条件下，分子粘在一起，实验者无法再精确控制它们。这一特殊的挑战多年来一直困扰着整个领域的研究人员。

但是，通过在精确控制的微波中照射，施的团队克服了双原子 NaK 分子在冷却至 134 纳开尔文时的聚集问题。

当使两个 NaK 分子弱结合并形成一个四原子分子 (NaK)2 时，微波还具有独特的优势。  鲍斯说：“如果微波的形状完全正确，那么你所拥有的潜力不仅在短距离内令人排斥，而且在长距离内也很有吸引力。”

因此，这种首个四原子分子的中心键比钠和钾原子之间的键长 1000 倍，并且是在比之前任何四原子分子低 3000 倍的温度下产生的。

这些新发现令人兴奋，因为它们“最终将把我们带到目前尚无理论依据的有趣领域——例如高温超导体和更好的锂电池材料，”鲍斯说。

编者注：本文于美国东部时间 4 月 8 日星期一上午 9:30 更新，以更正领导该团队的研究人员的姓名。 Xinyu Luo 监督了实验工作；石涛主要从事理论工作。