《自然》:单分子激光制冷首次达到接近绝对零度

2010-9-22 09:46 来源: 科技日报
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  据英国《自然》杂志网站9月19日报道,科学家使用激光,把分子冷冻到接近绝对零度,这是单分子激光制冷首次达到这样的低温。向控制物质化学物理过程,制造量子计算机迈进了一大步。

  上世纪七八十年代,物理学家就能将原子冷却到非常接近绝对零度的低温。基本原理就是用激光作用在原子上使之减速。当原子被冷冻到接近绝对零度时,它们就会遵守特殊的量子力学定律。在与它们的低能级相应的状态下振动,这被用作超敏加速计和量子钟,原子本身也会粘在一起形成一种“超级原子”,这就是著名的“玻色—爱因斯坦凝聚”。

  对分子制冷要比对单个原子更加复杂。原子可以通过激光来制冷,因为来自激光束的光粒子被吸收后,原子会重新发出一个光子,从而减少动能。经过上千次这种反应滞后,原子就被冷冻在绝对零度附近十亿分之几的范围内。但分子比原子更重,更难对激光起反应。而且,分子会以原子键和旋转、自旋的方式储存能量,这些因素都让分子很难变冷。

  美国耶鲁大学的爱德华·舒曼和戴维·德米尔,使用了既有技术和几项新技术,把氟化锶(SrF)冷冻到仅有几百微开氏度。研究小组用了一种新方法,使分子在同一方向上实现整体制冷。首先,他们选择了氟化锶,经过计算,这种分子不太可能发生振动阻碍制冷;然后,他们选择了一束彩色激光,以确保能量被分子吸收而不会让它们自旋;最后,他们用了一种预先冷冻的氟化锶,取得了良好的效果。

  这种超冷分子有助于科学家研究量子力学的化学属性。超低温度下,极性分子可被看作是微小的磁体,有着南北两极,研究人员可利用这一性质,构建一个反应系统,让极冷粒子在其中相互反应,而这用超冷原子是做不到的。

  目前的温度尚不是最低,研究小组正在设法让氟化锶冷却到大约300微开氏度。研究人员表示,主要数据显示还能做到更低的温度。如果进一步把激光制冷技术拓展到分子,就能让多种不同的分子达到超冷稳定。

  德米尔说,最终超冷材料将应用在量子计算机上。由于超冷分子具有“磁体”特征,这意味着分子之间能通过磁场互相反应。使它们能执行分类量子计算,可能会突破现有计算机的编码和解码问题,实现量子重叠与牵连原理产生的巨大计算能力。这是当前最大的超级计算机由于物理化学方面的限制而无法实现的。