超冷分子正准备揭开化学的基础

超冷化学研究人员说:“我们正在把化学系统简化到最简单的程度。诺亚惠誉来自英国伦敦帝国学院。费奇说的是化学领域最新最酷的前沿。在这里，分子被冷却到绝对零度以上千分之一度(比星际空间还要冷)，以确定难以捉摸的反应中间体，让科学家们深入到化学反应的基础上。“这是化学的一个新领域，”美国哈佛大学物理学家说约翰•多伊尔．

量子力学规则控制着所有的化学反应，但它们究竟是如何做到这一点的仍然是一个谜。超冷分子可以解释这个问题．在室温下，反应物存在大量的量子态——10个¹⁰平均-相互作用只能通过平均来研究。但在非常低的温度下，“你可以检测到非经典的相互作用”，他解释道坦尼娅Zelevinsky他在美国哥伦比亚大学从事激光冷却分子的研究。“当分子或原子碰撞和反应时，你可以观察到这些奇怪的、非直观的现象。”

最重要的主题是试图从基础上建立对化学的理解，而不是从上到下

诺亚·费奇，伦敦帝国理工学院

直到最近,科学家发现通过将水冷却到非常低的温度，它的两个核自旋异构体可以分离，并以不同的速率与重氮离子反应。物理化学家说，这些微小的细节对于大多数在室温下发生的合成化学来说似乎无关紧要，但“如果你真的知道反应在基本层面上是如何发生的，你就可以添加额外的能量，以这种方式构建图像”布丽安娜Heazlewood来自英国牛津大学。

费奇说:“最重要的主题是试图从头开始而不是从上到下建立对化学的理解。”Heazlewood认为，这将帮助化学家提出更好的反应模型，并将“我们挥手的解释与实际测量相联系”。在超低温下进行，即使是一个简单的亲核加成也会带来一些惊喜。“我们能停止反应并捕获中间产物吗?”我们能确认本科化学课本上的内容就是实际情况吗?“希兹勒伍德纳闷。

激光冷却

但是将分子冷却一百万倍——从室温降至1mK以下——绝非易事。激光冷却技术是几十年来物理学家最喜欢的一种技术，现在在化学领域也越来越受欢迎。激光冷却可以大大降低原子的速度，使它们可以冷却到绝对零度以上的百万分之一度或1μK。2015年，研究人员通过激光将钠钾合金中的粒子冷却到绝对零度以上5000亿分之一度——宇宙中最冷的分子——创造了一项新记录。¹

化学物理学家的长期梦想是进行量子控制合成

Tanya Zelevinsky，哥伦比亚大学

然而，这些分子并非从室温气体中冷却，而是由已经冷却的原子组装而成——这种看似迂回的方法植根于分子在激光冷却过程中的行为方式。然而，化学家有一个问题，因为他们对分子比对原子更感兴趣。然而，与原子相比，分子复杂的能级结构使得激光冷却它们的难度呈指数级增长。

冷阱

尽管如此，科学家们在冷却分子方面取得了进展。“我认为人们开始研究氟化钙之类的东西是非常令人兴奋的，哈佛大学和帝国理工学院最近都取得了成功。”^2．3说你们6月他在美国科罗拉多大学博尔德分校研究超冷物质。“我认为氟化钙是化学家的分子吗?”也许不是最令人兴奋的，但你仍然可以用它们来研究分子碰撞或分子散射。”

道尔表示赞同:“我们正朝着越来越大的分子快速前进。”2017年，他的团队用激光将第一个三原子物种——氢氧化锶自由基冷却到不到1mK。⁴Doyle认为这种方法也适用于其他碱土金属假氟化物，如甲氧基锶。⁵“关键的想法是，金属-氧键产生了一个电子，这个电子的轨道被推离了氧。这个电子就像在一个原子上而不是在一个分子上，而分子的其余部分只是在一起，”他解释道。“这还没有在实验室得到证实，但这个理论非常可靠。我敢说，像异丙氧基这样的分子(将在五年内冷却到微开尔文温度)。

量子控制合成是理解基本化学过程的圣杯

约翰·道尔，哈佛大学

目前，想要研究更复杂分子的研究人员不得不求助于库仑晶体俘获等其他方法。被困在电场中的碱土金属离子形成有序的排列-库仑晶体-可以固定晶格中的其他离子。激光冷却晶格离子也间接地冷却了被捕获的物种。

库仑晶体俘获使科学家能够研究比直接激光冷却更复杂的分子。早在2009年，研究人员就捕捉到了这种三萜甘草次酸在150mK的钡离子晶体中研究生物分子的光解离速率。⁶最近，Heazlewood的团队开始研究多原子反应，比如氙阳离子和困在1K左右的氨之间的电荷交换。⁷

然而，“在库仑晶体中研究的大多数分子离子并不是内部冷的”，Heazlewood解释道。虽然被捕获的物种根据定义是不移动的，但它们的旋转和振动能级可以像它们在室温下坐在实验室的长椅上一样多。“温度这个词在社区里有很多争论。这个词假设一切都处于平衡状态，但平动能和内能之间可能有很大的差异，”Heazlewood说。

为了制造内部低温捕获分子，Heazlewood的团队是众多研究低温装置的团队之一。“我不认为这将是一种特殊的技术，可以让我们冷却所有的分子——我们没有这种神奇的子弹，”叶说。

相反，结合技术可能是前进的方向。Kang-Kuen倪他在美国哈佛大学的研究小组用激光冷却铯原子和钠原子，然后用光镊捕捉其中一个原子，并将它们聚集在一起在光缔合反应中形成单个分子．而原子力显微镜允许化学家操纵固体上的单个原子在美国，倪的实验引领了将化学与表面分离的道路。

热的未来

泽莱文斯基说:“化学物理学家的长期梦想是进行量子控制合成。”她描述了将分子置于单一旋转、振动、电子和超精细状态的想法，并找出这是如何影响它们的反应性的。泽莱文斯基补充说:“如果你有一个大分子，你可以控制它的量子态，你可以想象使用一种量身定制的光脉冲在任何特定的键位点上破坏分子，这在目前是不可能的。”

道尔说:“(量子控制合成)是理解基本化学过程的圣杯。”但材料科学也可以从中受益，因为超冷分子可以帮助科学家揭示磁性或超导性等特性是如何产生的。在寻找宇宙物理性质的答案时，超冷分子甚至可以与大型强子对撞机竞争。

此外，费奇认为超冷分子“可以形成很好的量子比特”，量子计算机的基本单位．分子复杂的能级系统——这正是使它们难以被激光冷却的原因——可以变成计算控制旋钮。费奇指出:“但超冷分子是否真的是一种可行的解决方案还不得而知。”泽莱文斯基说:“我们正在从技术向科学问题过渡。”Heazlewood对此表示赞同:“我认为这个领域正在朝着研究那些对学界以外的人来说更普遍有趣的反应的方向发展——尽管我认为(在化学和物理学界之间)有时仍然缺乏关于什么是有趣的，什么是值得研究的交流。”

道尔说:“科学发展的方式是，当时推动一个领域向前发展可能有一些原因，但最终得出的研究结果可能是没有人预料到的。”“我们现在制造的分子温度比10年前低了几个数量级，科学史已经告诉我们，一些令人难以置信的事情将会发生。”