物理学家将分子冷却到略高于绝对零度的温度——比大爆炸的余辉还要冷。
科学家们创造了这种超冷原子,这些是科学家们所创造的最冷的分子(由两个或多个化学连接的原子组成)。这项成就可能会揭示在令人难以置信的低温下发生的奇怪物理现象。
在正常的日常温度下,原子和分子在我们周围以超快的速度飞驰,甚至相互碰撞。然而,当物质变得极冷时,会发生奇怪的事情。物理学家们认为,这些粒子将不再像个体一样飞驰和碰撞,而是会像一个整体一样表现。人们认为结果是以前从未观察到的奇异物质状态。[物理学中9个最大的未解之谜]
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为了探索这种寒冷的情景,麻省理工学院的一个由物理学家马丁·茨韦尔林领导的团队使用激光冷却钠钾气体,以耗散单个气体分子的能量。他们将气体分子冷却到低至500纳开尔文的温度——仅比绝对零度高5000亿分之一度(零下459.67华氏度,或零下273.15摄氏度)。这比星际空间冷一百万倍以上。(他们实验中气体的密度非常小,在大多数地方都可以被认为是近真空。)
他们发现分子非常稳定,并且倾向于不与其他周围的分子发生反应。他们还发现分子显示出很强的偶极矩,这是分子中电荷的分布,决定了它们如何吸引或排斥其他分子。
钠和钾通常不会形成化合物——两者都带正电荷,所以它们通常会互相排斥,并被氯等元素吸引,氯可以形成食盐(NaCl)或氯化钾(KCl)。麻省理工学院的团队使用蒸发,然后使用激光来冷却单个原子云。然后,他们施加一个磁场,使它们粘合在一起形成钠钾分子。
接下来,他们使用另一组激光来冷却钠钾分子。一个激光的频率与分子的初始振动状态相匹配,另一个激光的频率与分子的最低可能状态相匹配。钠钾分子从一个激光中吸收较低的能量,并将能量发射到较高频率的激光中。结果是分子处于非常低的能量状态和一个极冷的分子。
这种分子仍然不如日常化学品那样稳定,仅持续2.5秒就分解了,但在处理这样的极端条件下,这已经是很长的时间了。这是进一步冷却分子,以观察理论预测的一些量子力学效应的一步。这种效应已经在像氦这样的单一原子物质中得到证实,但在分子中从未得到证实,分子由于旋转和振动而更加复杂。例如,超冷的氦会变成一种没有粘性的液体——超流体。理论上,分子也可能进入这种奇异状态。
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