破紀錄分子被冷卻到接近絕對零度

科學家們正在突破極限。通過兩個步驟的激光冷卻過程，物理學家能夠將一氟化鈣的分子溫度降低到創紀錄的水平，突破了原先無法逾越的障礙。

數十年前，粒子物理學家們已經可以將單個原子冷卻到接近絕對零度，從而開闢了一個全新的研究領域。而當前這一最新突破也同樣打開了一扇門，科學家們得以進一步了解當原子組合在一起形成分子時又會是何種狀態。

這一創紀錄的冷卻過程是由倫敦帝國理工學院冷物質中心的科研人員進行的，與以前冷卻原子的過程並非完全不同。

一個運動中的粒子就會是熱粒子。這也意味著，無論是冷卻原子還是分子，只需減緩其運動即可。

為達到這一目的，可採取的方法之一是利用原子吸收或釋放光子的行為，因為在吸收或釋放光子的過程中，原子可能會失去部份動量。

研究者們使用一種調諧至特定頻率的激光，對象是被磁場囚禁在特定範圍內的原子。

如果原子向遠離光束的方向運動，它所看到的光頻率由於多普勒效應而略微向光譜的紅端偏移。如果原子朝向光束運動，那麼其遭遇的頻率會向藍端偏移。

如果能獲得正確的頻率，就意味著以某個速度朝向激光運動的原子能夠吸收一個光子，從而將它的一個電子提升至一新能級。那麼當該電子能級下降時，就會向任意方向釋放一個光子。

如果多個粒子都如此的話，這種光子的釋放就意味著整體上原子的動量被減少，從而運動速度會逐漸下降。

這種被稱為「多普勒冷卻」的方法只能將粒子冷卻到某一程度，因為原子在囚禁範圍內得到的能量會抵消其通過釋放光子而失去的能量。

使用其它各種技術可以將單個原子冷卻到低於所謂的「多普勒極限」，物理學家們可藉此獲得一個令人震驚的溫度：1開爾文的1萬億分之50，或高於絕對零度的0.00000000005度。

但到目前為止，物理學家們只能設法使低溫的原子構成分子，或者將現有的氟化鍶分子冷卻到高於多普勒極限的某一溫度。

當原子結合成更為複雜的系統時，在同樣的冷卻技術下，其反應就不那麼可靠了。

為突破這一極限，科研人員將一些一氟化鈣分子置於一個磁場和激光相結合的環境中，稱為「磁光阱」。

這足以將其冷卻到多普勒極限。為進一步冷卻，科研人員使用了被稱為「西西弗斯冷卻」（Sisyphus cooling）的第二種技術。

還記得希臘神話中的故事嗎？柯林斯國王西西弗斯命中註定要將一塊巨石推上山，只是為了讓其從山的另一側滾落下去，如此循環往復，就因為他是一個喜歡殺害自己的客人的統治者。

這一無休止的例行工作正是能夠使粒子耗盡其能量的手段。

物理學家們不是使用大山，而是使用了一對兩極分化的鐳射，從而逼迫粒子爬上一座「能量山」，在這一過程中失去其動量。藉助這一方法，他們能夠將一氟化鈣分子的溫度降低到50微開爾文，換句話說，就是比絕對零度高出百萬分之50度。

這個溫度距離我們能夠將單個原子冷卻到的溫度還相差甚遠，但與以前將氟化鍶分子冷卻到400微開爾文的紀錄相比，已經向前邁進了一步。

絕對零度這一理論上的溫度牆就像齊諾分子物理悖論：我們只能將運動的粒子之能量減少一部份，而讓一個粒子完全失去熱量是不可能做到的。

但是，科研人員朝向那一無止境的目標所做出的努力，使得我們能夠對粒子的細節進行前所未有的研究，能夠展現出我們所不熟悉的新的運行狀況，也讓我們得以探究將多個粒子聚集在一起的力是如何出現的。

毫無疑問，這一新的發展拓展了人類的知識，使得科研人員能夠更好地了解基礎層面上的化學過程。

該研究發表於《自然物理學》雜誌。◇

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