科學家利用電場控制超冷分子的化學反應

It's electrifying: Scientists use electric fields to control chemical reactions of ultracold molecules
http://www.physorg.com/news191666043.html

April 28, 2010

JILA 的物理學家已證明一種用來控制超冷氣體與超冷化學物質的新工具：電場。

一如 4/29 當期 Nature 的描述，JILA 科學家發現，施加一小型電場會刺激其超冷分子氣體的化學反應戲劇性增加。JILA 是 NIST 與科羅拉多大學Boulder 分校的聯合研究所。

這項發現建立在相同 JILA 研究團隊最近對於「分子在近乎絕對零度的寒冷世界中如何表現」的開創性觀察上，那由亞微觀量子物理學的奇怪規則所統治。在這個領域中，分子表現像波而非粒子，而波的重疊決定是否發生化學反以創造出不同的分子。

在他們的實驗中，研究者研究成對超冷分子之間的化學反應，每個分子由單個鉀（K）原子與單個銣（Rb）原子組成。這些 KRb 分子之所以易受電場影響是因為它們具電氣上的「極性」：在分子的銣端有正電荷，在鉀端則有負電荷。在這篇最新發表中，研究者測量電場如何控制這些 KRb 分子的反應速率，發現了如何加速反應或將其減速。以這種方法控制反應能使研究者為了實際應用而創造出量身打造的分子產物。

"我們希望這些分子在我們的阱中能存活久一點的時間，讓我們能繼續做其他量子物理學實驗，例如量子模擬以及量子資訊處理，" NIST 研究員 Jun Ye 表示，這篇新論文的資深作者。

能夠控制反應的能力也許能使科學家創造出新穎的量子運算平台，在其中，超冷分子將受到操控以儲存或交換資訊。科學家也許能處造出新奇的超流體（superfluids） -- 物質無摩擦的、如液體般的相 -- 那將以超冷分子為主而非通常用於這類研究的原子。這樣的研究也許能幫助科學家更了解超導電性 -- 電在沒有阻礙的情況下流動，或量子力學。

"比較新的是遠距交互作用的可能性，" NIST 研究員 Deborah Jin 表示，本研究另一位資深作者。"基本上，原子僅透過相互碰撞而交互作用 -- 我們稱此為接觸交互作用。極性分子能在一定距離下交互作用，例如兩磁石即便在沒有接觸的情況下仍可彼此相吸（或相斥）。"

用於研究中的分子處於其最低可能能態（lowest possible energy state）。 JILA 科學家利用外部電場來「調整」分子的電氣特性，例如以相當小的電場非常迅速地增加化學反應速率 -- 將其提昇 30 倍。

超冷分子氣體受限於三維的、鬆餅形的（pancake-shaped）、由二道水平的紅外線雷射光束所創造的阱（trap）中。一項關鍵發現是，分子以不同速率反應，端賴其在阱中的位置與方向以及它們相互接近的角度。頭尾相互接近且平行於所施加電場的分子更有可能起反應。並排（side-by-side）接近且垂直於電場的分子則不太容易起反應。

整體反應的淨增加使氣體變熱，因為粒子從阱中央遠離，那裡分子較稠密也較冷，因而留下較熱的分子。這些結果指出，為了抑制反應與變熱並使分子能持久一點以利實驗，阱應當被減少至兩空間維度，或許成為一圈（ column）為雷射所囿的鬆餅形阱 -- 一種「光學晶格（optical lattice）」，像某些次世代原子鐘所用的那種。

※ 相關報導：

＊ Dipolar collisions of polar molecules in the quantum regime
http://www.nature.com/nature/journal/v464/n7293/abs/nature08953.html

K.-K. Ni, S. Ospelkaus, D. Wang, G. Quemener, B. Neyenhuis,
M. H. G. de Miranda, J. L. Bohn, J. Ye, D. S. Jin
Nature 464, 1324-1328 (29 April 2010)
doi: 10.1038/nature08953

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