世界首個(gè)里德伯分子問(wèn)世

據(jù)國(guó)外媒體報(bào)道，現(xiàn)在科學(xué)家終于制出一直存在于理論中的里德伯(Kydberg)分子。這種分子通過(guò)兩個(gè)原子之間令人難以捉摸的極其微弱的化學(xué)鍵形成。這項(xiàng)研究結(jié)果發(fā)表在《自然》雜志上。因?yàn)榉肿又械钠渲幸粋€(gè)原子擁有一個(gè)距離核子或稱(chēng)中心較遠(yuǎn)的電子，因此會(huì)產(chǎn)生這種新型連接方式。

這項(xiàng)發(fā)現(xiàn)有力地支持了基礎(chǔ)量子論，該理論是由諾貝爾獎(jiǎng)得主恩里科·費(fèi)米(Enrico Fermi)提出的，它們闡述了電子是如何運(yùn)行的。以及它們之間的相互作用。現(xiàn)在正被討論的里德伯分子，是通過(guò)兩個(gè)銣原子形成的，其中一個(gè)是里德伯原子，另一個(gè)是“正常”原子。原子里的電子圍繞一個(gè)中央核運(yùn)行，在原子外層運(yùn)行的電子，距離核心更遠(yuǎn)。里德伯原子非常特殊，因?yàn)樗淖钔鈱榆壍郎蟽H有一個(gè)電子。從原子的角度來(lái)說(shuō)。這個(gè)電子距離它的核子非常遠(yuǎn)。

1934年費(fèi)米預(yù)言說(shuō)。如果另一個(gè)原子“發(fā)現(xiàn)”一個(gè)游蕩的單一電子，它可能會(huì)與它產(chǎn)生相互作用。美國(guó)科羅拉多大學(xué)的理論物理學(xué)家克里斯·格倫尼是第一個(gè)預(yù)言里德伯分子存在的人。他解釋說(shuō):“費(fèi)米可能從沒(méi)想到這種分子能夠形成。我們承認(rèn)。我們?cè)?0世紀(jì)70年代和80年代進(jìn)行這方面的研究的時(shí)候，發(fā)現(xiàn)里德伯原子和基態(tài)原子(即正常原子)之間可能存在力場(chǎng)。直到現(xiàn)在我們才有可達(dá)到如此低溫環(huán)境的系統(tǒng)。因此直至今天我們才能制造出這種分子。”

斯圖加特大學(xué)的維拉·本德庫(kù)賽負(fù)責(zé)領(lǐng)導(dǎo)了這項(xiàng)研究。她解釋說(shuō)，要想制作這種分子，溫度必須非常低。她說(shuō):“原子里的核子必須相距一定距離，兩個(gè)電子才能產(chǎn)生相互作用。我們利用一個(gè)超冷的銣氣團(tuán)進(jìn)行試驗(yàn)，氣體越冷，它里面的原子之間的距離就越近。”當(dāng)溫度幾乎接近絕對(duì)零度，即零下273攝氏度時(shí)，兩個(gè)原子之間的距離就達(dá)到大約100納米的“臨界距離”。

當(dāng)其中一個(gè)原子是里德伯原子時(shí)，兩個(gè)原子就會(huì)形成一個(gè)里德伯分子。與普通分子相比，100納米的距離已經(jīng)是一個(gè)很大的距離。格倫尼教授說(shuō):“里德伯電子跟牧羊犬類(lèi)似，它在‘牧群’的最外圍監(jiān)視。如果有誰(shuí)想離開(kāi)群體，它就會(huì)把它重新趕回中心區(qū)。”

讓這種電子離開(kāi)外圍，形成一個(gè)里德伯原子，需要很多能量。本德庫(kù)賽解釋說(shuō):“我們利用激光促使原子進(jìn)入形成里德伯分子的階段。如果我們擁有處于臨界密度的氣體。兩個(gè)原子之間的距離又符合要求，可以形成里德伯分子，我們就會(huì)利用激光促使一個(gè)原子達(dá)到符合形成里德伯分子的狀態(tài)，這樣一個(gè)里德伯分子就形成了。”

這項(xiàng)超冷試驗(yàn)還是一項(xiàng)超速試驗(yàn)。因?yàn)榇嬖跁r(shí)間最長(zhǎng)的里德伯分子也只能幸存18微秒。但是能夠制造出這種分子，并且人們可以看到它，這些事實(shí)充分證實(shí)了長(zhǎng)期以來(lái)一直存在的基本原子理論。倫敦大學(xué)學(xué)院的物理化學(xué)家海倫·菲爾丁說(shuō):“這是一系列激動(dòng)人心的實(shí)驗(yàn)。該實(shí)驗(yàn)顯示，這種方法是切實(shí)可行的，我們非常樂(lè)意利用這種方法測(cè)驗(yàn)其他基礎(chǔ)物理學(xué)。”

格倫尼受到另一項(xiàng)獲得諾貝爾獎(jiǎng)的物理學(xué)研究項(xiàng)月的啟發(fā)，提出現(xiàn)實(shí)中可以存在里德伯分子的預(yù)言。1924年，印度物理學(xué)家薩特延德拉·納特·玻色(Satyendra Nath Bose)把一些有關(guān)粒子的理論計(jì)算數(shù)據(jù)寄給艾伯特·愛(ài)因斯坦，愛(ài)因斯坦根據(jù)這些數(shù)據(jù)預(yù)言說(shuō)，如果一些氣體的溫度非常低，所有原子都能突然達(dá)到它們的“最低能量狀態(tài)”，那么這種狀態(tài)下的原子幾乎都將被凍結(jié)，它們開(kāi)始以相同方式運(yùn)行，并且可以預(yù)知它們的運(yùn)行方式。

從某種意義上來(lái)說(shuō)。這個(gè)過(guò)程跟氣體突然被濃縮成液滴的過(guò)程類(lèi)似。當(dāng)科學(xué)家通過(guò)降溫和誘捕堿性原子的方式達(dá)到玻色一愛(ài)因斯坦凝聚(BEC)目標(biāo)時(shí)，格倫尼意識(shí)到他們可以利用超冷物理學(xué)合成在任何其他環(huán)境下都無(wú)法存在的里德伯分子。