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一项新的研究表明，冷却至具有近乎可忽略的碰撞运动的分子仍然可以彼此发生化学反应。在仅高于绝对零度几百纳开尔文的温度下，研究人员甚至可以通过调整分子的量子态来改变化学反应的速度，从而为使用物理工具实现高度可控的化学反应铺平道路。（一纳开尔文是十亿分之一开尔文。）
这项研究发表在2月12日刊的《科学》杂志上，作者来自隶属于美国国家标准与技术研究院（NIST）的两家研究所：JILA，由NIST和科罗拉多大学博尔德分校联合运营；以及联合量子研究所，是NIST与马里兰大学帕克分校之间的合作机构。
2008年，一个包括许多相同研究人员的团队宣布创造了一种稠密的钾-铷（KRb）分子气体，温度为几百纳开尔文。现在，这种超冷气体已被证明会通过放热化学反应衰变，因为其分子通过量子隧穿现象相互作用，在该现象中，粒子会跳过经典势垒。在这种情况下，障碍是两个经历相互排斥的相同分子之间所谓的动量势垒。
JILA物理学家和研究合著者Jun Ye说，在超冷温度下，分子的经典物理概念变得不如量子力学概念有用。“它们太冷了，你不能再把它们想象成乒乓球之类的物体了，”Ye说。“它们真的是量子力学波。”这些波可以在相对较远的距离上重叠，从而导致分子之间的远程相互作用。“一旦它们感觉到彼此的存在，当它们的波函数开始重叠时，非常有趣的事情就开始发生了，”Ye说。在这种情况下，气体分子交换原子形成K2和Rb2分子，然后逸出。
改变钾-铷气体中的起始条件突出了化学反应的量子力学性质。当所有分子都设置为相同的初始量子态时，气体在几秒钟内衰变。但是，当分子以不同的状态制备时——特别是，在自旋的异质混合物中——反应速度快了10到100倍。这种差异是泡利不相容原理的逻辑延伸：相同的分子会相互排斥，以避免同时占据同一位置。
“为了让它们彼此靠近，它们必须克服这个动量势垒，”Ye说。“隧穿才是真正发生的事情；它们正在隧穿这个角动量势垒。”可区分的分子——那些具有不同自旋的分子——可以更自由地靠近。
Jeremy Hutson是英国杜伦大学的化学教授，他为《科学》杂志撰写了关于这项研究的评论。他说，在超冷状态下可能实现的精细尺度物理操纵提供了相应的化学控制水平。“我认为在这种情况下，选择性是 remarkable 的，”Hutson 说。“你可以做出像翻转单个核自旋这样微小的改变，并完全改变反应的进程。”
Hutson 说，未来可能很快就可以一次作用于整个原子或分子群体。“如果你愿意，这个通用领域，即超冷化学的优势在于，未来有可能以连贯和受控的方式在整个分子样品上进行化学反应，”他说。
但是，既然 JILA 和联合量子研究所的研究人员已经展示了化学反应在超冷温度下可以多么容易地进行，Ye 希望找出如何防患于未然，以延长钾-铷气体的寿命，目前钾-铷气体在约一秒钟内开始发生化学降解。“我们的目标是能够抑制这些反应，”Ye 说。“既然我们已经可以理解和控制它们，那么下一步就是真正学习如何消除它们。”