兩個原子的碰撞：哈佛科學家實現最精確的化學反應

Kang-Kuen Ni團隊的實驗裝置。

圖片來源：Lee Liu 和 Yu Liu（Ni團隊成員）

在近日發表於《科學》期刊的一篇論文中，美國哈佛大學Kang-Kuen Ni帶領的團隊利用單個鈉原子和銫原子實現了世界上最精確的化學反應，這項研究不僅能夠幫助我們在原子層面上理解化學反應，還可能在量子計算領域得到廣泛應用。

來源 | Science、哈佛大學官網

編譯 | 李昌浩

化學反應起源於反應物之間的相互作用，在微觀上這個過程通常是隨機的，我們觀測到的宏觀反應過程往往是全局的平均結果。因為大規模、隨機的化學反應會抹殺反應本身一些獨特的性質，故科學家不斷地嘗試縮小化學反應的規模，從而精確控制化學反應過程。

哈佛大學化學系助理教授Kang-Kuen Ni和她的同事在這個方向上取得了很大的突破。他們首次在實驗室中精確控制兩個原子結合，形成所謂的偶極分子（dipolar molecule）。這是目前世界上最為精確控制的化學反應。

研究者團隊首先將單個鈉（Na）原子和銫（Cs）原子置於超高真空環境中，用激光冷卻至絕對零度附近，然後利用「光鑷勢阱」（optical tweezer trap）技術捕獲單個原子，從而能夠對單原子進行精確的移動。接下來，研究團隊移動銫原子的勢阱，使其與鈉原子勢阱重合，並發射激光脈衝，激發化學反應。實驗的基本思想很簡單，但卻需要精尖的技術和細緻的操作。

Kang-Kuen Ni

Kang-Kuen Ni表示：「每個反應的原理都是如此，原子和分子在微觀層面上會單獨結合。我們這項工作的不同之處是對這個過程施加了更為精確的控制。」之前科學家僅實現了單個原子在其他類型原子團中的化學反應，Ni和她的同事將這個方向的工作推進了一大步。

研究人員稱，這項工作不僅可以加深人們對物質量子相的理解，還有可能作為一種新的量子比特，在量子計算領域得到廣泛應用。

「量子信息處理是我們很感興趣的方向之一。在日常生活中，我們需要各種各樣的分子來產生不同的作用。但是分子的構型可能太多，目前傳統的計算機的計算能力遠遠不能滿足我們對其進行充分的探索。如果我們擁有可以解決複雜問題從而可以有效模擬大量分子構型的的量子計算機，那麼這一研究結果的影響將是深遠的。」Ni說。

目前，由於鈉原子和銫原子均處於激發態，反應產生的NaCs分子壽命還很短暫。下一步，Ni和她的團隊打算將他們的工作推廣到基態（ground-state）反應，從而產生生命周期更久的分子。同時，研究團隊表示，他們的方法原則上還可推廣到其他類型的原子。

「這項工作的靈感來源於幾個不同的方向。我們最關心的是物理作用和化學作用是如何干預複雜反應過程的。我們首先對最基本的情況做了實驗，這個過程由量子力學主導。此後我們可以將這個基本的量子構件組合成更複雜的系統，這是這項工作的主要目的。」Ni表示，在證明了其可行性之後，她相信很多同行會跟進這項研究。

精確控制化學反應過程一直是科學家長期以來的目標，因此Ni的工作令很多研究者為之興奮。後續研究想必會接踵而至，超精確控制的化學反應還有什麼樣的獨特性質？其他原子反應的產物性質如何？這項研究是否能在量子計算領域產生突破？這些問題都有待研究者來回答，讓我們拭目以待。

原始論文：

http://dx.doi.org/10.1126/science.aar7797

https://news.harvard.edu/gazette/story/2018/04/two-atoms-combined-in-dipolar-molecule-for-first-time/

https://www.eurekalert.org/pub_releases/2018-04/aaft-ots041018.php

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