20年来探索“量子超级化学”奇异领域的探索

二十多年前，科学家预测，在超低温下，许多原子可能会发生“量子超化学”并发生化学反应。他们终于证明这是真的。

化学取决于热量。

原子或分子随机弹跳、碰撞并形成其他分子。在较高的温度下，原子碰撞更多，原子变成分子的速率增加。低于一定温度，反应根本不会发生。

但在最低温度下会发生一些非常奇怪的事情。在这种极冷的环境下，基本上没有热能，但化学反应比高温下发生得更快。

这种现象被称为量子超化学。去年，距离物理学家首次提出这一概念已经过去了 20 多年，它终于得到了证明。

在该实验中，芝加哥大学物理学家 Cheng Chin 及其同事将一群仅几纳开尔文的铯原子引入相同的量子态。令人惊讶的是，每个原子并不是单独相互作用。相反，100,000 个原子几乎同时反应为一个。

这种奇怪过程的首次演示为科学家们打开了一扇窗，让他们更好地了解化学反应如何在量子力学的奇怪领域中进行，量子力学控制着亚原子粒子的行为。它还可能有助于模拟经典计算机难以准确建模的量子现象，例如超导性。

但之后会发生什么，就像许多研究进展一样，很难预测。例如，Chin 并不打算停止研究这种奇怪的化学形式。

“没有人知道我们能走多远，”钦告诉《生活科学》。 “可能还需要20年。但没有什么可以阻止我们。”

一种新型化学

“超化学”一词于 2000 年创造，用于将这种现象与其他奇怪的效应相比较，例如超导性和超流性，当大量粒子处于同一量子态时就会出现这种效应。

然而，与超导或超流动性不同，“‘超化学’的不同之处在于它仍然几乎没有被实现，而这些其他现象已经在实验中得到了广泛的研究，”丹尼尔·海因岑，领导2000 年研究的作者、德克萨斯大学奥斯汀分校的物理学家在一封电子邮件中告诉《生活科学》。

海因岑和现就职于澳大利亚斯威本科技大学的同事Peter Drummond正在研究一种特殊的物质状态，称为玻色-爱因斯坦凝聚体（BEC），其中原子达到最低能态并进入相同的量子态。在这种情况下，原子团开始表现得更像单个原子。在如此小的尺度下，粒子无法被描述为处于给定的位置或状态。相反，它们有可能处于任何给定的地点或状态，这是由称为波函数的数学方程描述的。

在 BEC 中，正如 Satyendra Nath Bose 和 Albert Einstein 的工作所预测的那样，每个原子的单独波函数变成了单个集体波函数。海因岑和德拉蒙德意识到，一组具有相同波函数的粒子类似于激光——一组具有相同波长的光子或光包。与其他光源不同，激光波的波峰和波谷是对齐的。这使得它的光子能够在长距离上保持聚焦在紧密的光束中，或者分解成短至百万分之一十亿分之一秒的爆发。

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类似地，海因岑、德拉蒙德和他们的同事用数学方法证明，BEC 中的原子应该以其他原子团所不具有的方式表现。接近绝对零，几乎没有热能，量子超化学意味着 BEC 中的原子可以快速地一起转化为分子：原子 A 会瞬间结合形成 A2 分子，依此类推。

Chin 说，这个过程类似于相变，例如液态水冻结成冰。海因岑和德拉蒙德的计算预测，由于这些系统的量子怪异性，BEC 中凝聚的原子越多，反应发生的速度就越快。

20年的探索

海因岑和他的研究小组多年来试图通过实验来证明这一现象。但他们从未找到令人信服的证据证明这种效应正在发生。 “然后我们就放弃了它，”海因岑说。

虽然海因岑放弃了证明量子超化学的追求，但其他人仍在寻找将疯狂的理论转化为实验现实的方法。 Chin 就是其中之一，他几乎立即开始研究量子超化学。

当海因岑和德拉蒙德的超级化学论文发表时，钦还是一名在低温下研究铯原子的博士生。 “由于这项新研究，我的研究完全脱轨了，”钦告诉《生活科学》。他开始了长达 20 年的探索，以期在实验室中实现量子超化学。

这不是一条笔直的道路，金有时会在量子超化学的研究中休息一下。但他从未放弃自己的目标。

“在事情发生之前，没有人知道这是否会成功。但也没有人说这不会发生，”他说。

经过十年的缓慢进展，Chin 和他的同事于 2010 年找到了如何精确调整 BEC 上的磁场，以将铯原子聚集在一起形成 Cs2 分子。

“这提供了如何前进的证据，”钦说。

但为了证明量子超化学正在发生，他的团队仍然需要更好的方法来冷却和控制超冷分子。

在事情发生之前，没有人知道这是否会成功。但也没有人说这不可能发生。

科学家通常使用两种技术将原子和分子推至超冷温度。首先，激光将原子冷却至高于绝对零的百万分之一开尔文。样品中的原子吸收来自调谐到非常特定能量的激光的光子，从而逐渐降低原子的动量和样品的温度。

接下来，他们使用蒸发冷却。这些实验中的原子被激光或磁场捕获。科学家可以调整陷阱，让速度最快、因此也是最热的原子逃逸。这个过程进一步将原子冷却到十亿分之一开尔文，这使得量子超化学成为可能。

这是钦和他的合作者花了最长的时间才完成的第二步。多年来，他一直使用碗形陷阱将原子推到中间，从而提高了样品的温度。

六七年前，他的团队开始使用数字微镜装置来更好地控制陷阱的形状。结果？平底陷阱，形状像培养皿，原子可以在其中扩散并保持超冷。

2020 年左右，Chin 的团队终于制成了铯分子的 BEC。它们是有史以来最冷的分子之一，比绝对零度高约十亿分之一度。虽然研究小组怀疑量子超化学已经发生，但他们没有证据。

三年后，这个证据出现了。那时，他们已经收集了量子超化学的两个标志的证据。首先，反应是集体发生的，这意味着许多铯原子立即变成铯分子。其次，它是可逆的，这意味着原子会变成分子，分子又变成原子，如此循环往复。

对于 Chin 来说，去年的实验只是一个开始。他们利用超化学产生了双原子分子。但 Chin 认为三原子分子是可以实现的，并且他很高兴看到其他可能的东西。

量子超化学带我们去往何方

正如在此类基础研究领域中经常出现的情况一样，这些实验提出了新的理论问题。例如，在海因岑和德拉蒙德的理论量子超化学系统中，陷阱中一半以上的原子会转化为分子，然后再次返回。但 Chin 的团队观察到，这种转变只发生了 20%。 “要获得更高的效率，还有很多事情需要了解，”钦在一封电子邮件中说。

海因岑怀疑这归因于稠密气体中分子之间的碰撞。碰撞可以将分子推入不同的量子态，将它们从凝聚的分子池中撞出来。他和德拉蒙德在他们的理论中没有考虑到这种可能性。

“从一开始就很明显[碰撞]会产生某种负面影响，但在 2000 年我们不知道它会有多大，”海因岑说。 “我们只是说，我们忽略它，因为我们不知道它有多大。”

实验还表明，三个铯原子经常参与形成单个 Cs2 分子（并留下一个 Cs 原子），物理学家将其称为三体相互作用。之前关于量子超化学的预测并不包括这种相互作用。

对于 Chin 来说，这暗示他需要做一些新的实验。如果他的团队能够设计和完善实验来探测这些多体相互作用，则可能有助于阐明量子超化学的规则。

尽管存在这些悬而未决的问题，许多科学家仍将量子超化学视为更好地理解一般化学反应的可能工具。沸腾烧杯中的原子和分子存在多种量子态，并以多种方式相互作用，这使得它们过于复杂，无法通过实验进行详细研究。相比之下，BEC 中的原子和非常简单的分子处于精确控制、明确定义的量子态。因此，量子超化学可能是一种非常详细地研究反应的方法。 

普林斯顿大学研究超冷原子和分子的物理学家瓦西姆·贝克尔 (Waseem Bakr) 告诉《生活科学》杂志：“就增进我们对化学的基本理解而言，这是一个非常有吸引力的机制。”

量子超化学也让科学家们感到兴奋，因为它提供了对分子量子态的精确控制。

这对于量子模拟（量子计算机的近亲）可能很有用。通常，科学家在“经典”系统（例如传统计算机）上模拟量子系统。但是许多过程，例如高温超导，可以使用受相同量子规则控制的量子系统来更好地建模。巴克尔说，量子超化学将为科学家提供一种工具，用于生产特定量子态的分子，从而实现这些模拟。

海因岑认为科学家有充分的理由继续探索他在 20 多年前帮助梦想的现象。虽然这些应用目前还只是白日梦，但历史表明，基础科学的进步有时会在未来带来令人惊讶的应用。

“现在还不明显，”他说。 “但这仍然非常值得做。”