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科学,就像是把曾经的“不可能”变为“可能”的过程。最近,美国科学家使用激光“镊子”操纵两种碱金属——钠(Na)和铯(Cs)并使两个单原子成功化合成一种新型的合金类分子,而这一过程在传统的化学认知里几乎是不可能实现的。国外媒体预测道,这一开创性技术的实现将使更多人类认知之外的超级新材料诞生…

化学反应通常来说是一种偶然性事件。在适当的条件下,大量性质相匹配的原子聚集在一起发生随机碰撞,当碰撞的方向与能量达到一定条件时,就会形成新的物质。而钠(Na)和铯(Cs)在元素周期表中位于同一主族,二者具有相似的化学性质。换句话说就是它们并不倾向于彼此碰撞并结合为新的分子。

然而,不倾向于并不意味着不能。如果钠原子和铯原子拥有合适的能量并足够接近,就有可能形成一种新的化学键。

NaCs分子的极化电学特性导致它对于存储量子的“量子位”叠加状态非常有帮助,也可以很容易地与其他组分发生相互作用。这种量子位存储和交互结合是未来科学技术中急需的。为了实现这种能量和时间上的完美结合,研究人员将单个原子放置在交叠的磁光陷阱中,然后用光子照射使它们冷却到绝对零度附近。同时,使用一对调谐的激光器产生电效应,使每个原子朝着相对应激光器的焦点移动,这样两个原子可以很容易地发生碰撞。

由于需要维持适当的动力和能量水平,原子的每次碰撞并不一定都会发生键合。为了解决这一棘手难题。科学家尝试使用合适的激光脉冲,最终完成了在相同量子态下两个原子之间的键的短暂闪烁,这一方法为研究人员提供了一个非常精细的细节。

哈佛大学的研究人员表示,目前我们已经展示了一种可能,相信接下来全世界会有很多科学家效仿这一技术合成更多新材料。而下一步研究将是实现在基态下键合出更稳定的分子,最终目标则是创造更复杂分子,用于高技术领域的新材料以及为下一代计算机提供微小的量子组件。

科学家表示,“这一研究首次表明化学反应过程是可以准确地人为操控的”。在最小的单元层面控制分子相互作用,包括反应,一直是物理科学的一个长期目标。相信未来会有大量的新材料会因此而诞生…

文/朱张航宇

参考文献:Building one molecule from a reservoir of two atoms,Science,2018, eaar7797, DOI: 10.1126/science.aar7797.

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