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真冷!分子冷却到绝对零度以上

Alexander Softog/Shutterstock)

一项新技术将冷分子的温度限制在绝对零度以上的一小部分。

研究人员使用激光和磁场的组合来捕获一个单氟化钙分子,并将其冷却到50微开尔文,伦敦帝国理工学院(Imperial College London)物理学家、研究带头人迈克尔塔布特(Michael Tarbutt)表示,绝对零度以上5000万分之一度,或零下459.67华氏度(零下273.15摄氏度)。

其他实验室使分子变冷。然而,与纯激光冷却相比,这项新技术的作用范围更广。例如,大多数实验室必须从钠和钾等元素中构建奇特的分子。

“这些分子不具备许多超冷分子应用所需的所有特性,”塔布特在电子邮件中告诉《生活科学》。

其中一些应用包括研究超导性,整个原子系统都被称为量子力学的亚原子微粒的奇异规则所控制。进一步了解超导电性是如何工作的,可以帮助科学家了解哪些材料可以做到这一点,并最终了解如何制造出在更高温度下工作的材料(通常超导材料需要保持低温)。[物理学中18个最大的未解之谜]

冷却方式

温度只是衡量任何物质中的分子移动的平均速度,因此为了得到这些超冷温度,样品中的分子(在本例中是一氟化钙)会减慢。

就是激光作用的地方光束进来了。冷却包括一组激光从相对的侧面向分子发射。第一束激光从左边射向它,分子吸收一个光子。光子减少了分子的动量,就像一个台球从相反的方向与另一个球相撞一样。不过,在第一次激光照射之后,一氟化钙分子并没有失去所有的动量。它向第二个激光的方向移动,第二个激光在右边。当它接近时,从分子的角度看,来自激光的光似乎具有较短的波长,这种现象被称为多普勒频移。分子从第二束激光中吸收另一个光子,并再次减慢速度。在激光驱动的乒乓球比赛中,被称为多普勒冷却,分子变得越来越慢,越来越冷。

激光也激发分子,足以在每次吸收后发射光子。但是这些光子是随机发射的,所以经过多次激光照射后,一氟化钙的总动量没有改变。光子发射确实给分子的动量设置了一个下限,因为每次发射都会产生一个微小的“踢”—这意味着分子仍然有一点“温暖”。温度的下限被称为多普勒极限。

超过极限

超过这个极限,塔布特的研究小组利用磁场将分子捕获到位,再次被激光击中。如果想象分子在一个“山丘”的底部,山丘是势能,激光会把它推上山丘。在普通的世界里,把球踢到山上会增加它的势能,但会降低它的动能,因为它在接近山顶时会减慢速度。同样的情况也发生在一氟化钙分子上。(这叫做西西弗斯·库林,是希腊神话中的一个人,他被判永远把一块石头滚上一座山,结果却又把它滚下来。)。科罗拉多矿业学院的物理学教授林肯·卡尔说,减少分子的动能可以将其温度降低到50微开尔文,

超过了温度记录,这项工作的另一个独特之处是使用了自然产生的物质,他说:“在人们开始研究像铷钾这样的奇怪物质之前,就已经有了

。”。而铷钾和其他分子不是天然的

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