基于这种新发现的能力，JILA的研究人员可以诱导超低温气体中的分子进行长距离的相互作用，他们利用一个电“开关”来影响分子碰撞，并显著地提高或降低化学反应速率。

 

这些超冷的气体遵循量子力学看似违反直觉的规则，杏耀主管以能量的精确单位或量子为特征，以及通常是奇异的运动。因此，控制稳定量子气体中的化学反应的能力可以使新型化学物质和气体的设计、利用分子作为丰富信息的量子位元(quantum bits)的量子计算机的新平台，以及用于精密测量的新工具(如分子钟)成为可能。

 

这一进展发表在12月11日出版的《科学》杂志上。JILA由美国国家标准与技术研究所(NIST)和科罗拉多大学博尔德分校联合运营。

 

“在我们的实验中，分子碰撞是非常量子力学的，它们的轨迹都是量子化的，取决于它们相互接近的方式，”NIST/JILA研究员叶军说。“这与热气体中分子可以随机接近对方的情况截然不同。”

 

这项新工作是继叶之前在超冷量子气体方面的许多成就之后的又一成果。特别是， ，这一进展建立在JILA的简化方案的基础上，该方案将分子气体推到它们的最低能量状态，称为量子简并度，在量子简并度中，分子开始像重叠波一样相互作用。

 

最新的JILA实验在一个六个电极组件中制造了数万个钾-铷分子组成的稠密气体，研究人员用它来产生一个可调谐的电场。这些分子被限制在一堆被称为光学晶格的煎饼形状的激光陷阱中，但在每个煎饼中可以自由碰撞，就像人们在溜冰场溜冰一样，叶说。

 

分子之间的碰撞常常会导致化学反应，迅速耗尽气体。然而，JILA团队发现，分子可以通过转动一个简单的旋钮——电场强度——来“屏蔽”这些化学反应。屏蔽作用是由于电场改变了分子的旋转和相互作用。

 

分子之间互相排斥，因为它们是费米子，这类粒子不可能在同一时间处于同一量子态和位置。但这些分子可以相互作用，因为它们是极性的，在铷原子上带正电荷，在钾原子上带负电荷。相反的电荷产生对电场敏感的电偶极矩。当分子头尾相碰，带相反电荷时，化学反应会迅速耗尽气体。当分子并排碰撞时，它们会互相排斥。

 

JILA团队首先准备了一种气体，在这种气体中，每个分子都以一个量子旋转单位旋转。因此，每个分子都像一个微小的量子陀螺，绕着它的轴旋转，只有量子力学允许的角动量(或旋转速度)的特定值。通过改变电场，研究人员发现两个相互碰撞、旋转的分子可以交换旋转的特殊场(“共振场”)，一个分子的旋转速度是另一个分子的两倍，另一个完全不旋转。

 

交换旋转的能力完全改变了碰撞的性质，使碰撞分子之间的力在共振区附近迅速地从吸引变成排斥。当分子间的相互作用是排斥性的时，分子就不会损失，因为它们很少接近到发生化学反应的程度。当相互作用具有吸引力时，化学反应速率显著提高。

 

在共振区附近，JILA团队观察到，当电场强度仅调整几个百分点时，杏耀平台总代理化学反应速率就发生了近千倍的变化。在最强的屏蔽作用下，化学反应速率降低到正常背景值的十分之一，形成了一种稳定的、长寿命的气体。

 

这是第一次演示使用电场共振地控制分子之间的相互作用。实验结果与理论预测一致。JILA的研究人员希望他们的技术在没有光学晶格的情况下仍然有效，这将简化未来创造由其他类型原子构成的分子气体的努力。