气态晶体中的离子：棒状电极之间的交变场将镁和氢化镁离子（红色球体）限制在阱中。激光束用于冷却粒子，直到它们凝固成晶体，其中离子之间的距离远大于矿物晶体中的距离。一个德国-丹麦研究人员小组能够通过一种非常脆弱的冷氦气（离子晶体左右两侧的球体）来减缓分子离子的旋转。
一个国际研究人员团队发现了一种有效且通用的减慢分子离子旋转速度的方法，为基于实验室的天化学开辟了新的可能性。
现在可以更容易地在地球上研究在外层空间发生的化学反应。来自丹麦奥尔胡斯大学和海德堡马克斯·普朗克核物理研究所的国际研究人员团队发现了一种有效且通用的制动分子离子旋转的方法。这些离子的旋转速度与旋转温度有关。使用极弱的冷却气体，研究人员已将该温度降低至°-265C。从这个创纪录的低值，研究人员可以以受控方°式将温度升高至-210C。精确控制分子的旋转不仅对于研究天化学过程具有重要意义，而且还可以被利用来阐明光合作用的量子力学方面，或将分子离子用于量子信息技术。
对于物理学家来说，感冒并不等于感冒。这是因为在物理学中，与粒子可以具有的每种运动相关的温度是不同的。分子在空间中移动的速度决定了平移温度，该温度最接近我们的日常温度概念。但是，对于分子的内部振动以及围绕其自身轴的旋转运动，也存在一个温度。与发动机运转的固定汽车类似，内部旋转（在这种情况下为发动机）在释放离合器之前不会转变为运动。就分子而言，构成气体，流体和固体的颗粒之间的许多微观碰撞使各种形式的运动相互耦合。
因此，不同的温度随时间彼此接近。然后物理学家说已经建立了热平衡。但是，达到此平衡的速度取决于碰撞速度以及影响平衡的任何外部影响。例如，即使不改变分子的行进速度，星际气云收缩产生的红外辐射也会使分子的旋转加快。这些过程在空的空间中花费很长时间，因为那里的碰撞很少。
冷却离子晶体：镁（蓝色球）和镁离子（蓝色和绿色球）的云团被限制在Paul阱的四个圆柱电极之间。激光（在此图像中描绘为中心的透明透明条）使离子冷却，使其固化为库仑晶体。当流入陷阱的氦原子（紫色）与氢化镁离子碰撞时，后者的旋转速度会变慢–旋转温度下降。
旋转温度的冷却方法快速而通用
时间在宇宙维度上是完全无关的，但是对于物理实验来说，这是至关重要的。确实，如今，物理学家可以在-273.15 C下将分子的飞行速度相对快速地降低到几乎°绝对为零。但是，非碰撞粒子的旋转要冷却到类似的水平需要几分钟或几小时，因此几乎不可能进行一些实验。这可能会改变。
马克斯·普朗克核物理研究所所长JoséR. CrespoLópez-Urrutia说：“我们已经成功地将分子离子的旋转降温了几毫秒，并降低到了比以前更低的温度。”来自海德堡马克斯·普朗克研究所的研究人员以及奥胡斯大学的迈克尔·德鲁森（Michael Drewsen）领导的小组冻结了分子在7.5 K（或-265.65 C）下的旋转°运动。不仅如此，海德堡马克斯·普朗克研究所的奥斯卡·韦索拉托（Oscar Versolato）在实验中发挥了重要作用，他解释道：“通过我们的方法，我们可以在大约7至60开氏温度之间选择和设置旋转温度，并且能够在我们的实验中准确地测量该温度。”与其他方法不同，这种冷却原理非常通用，适用于许多不同的分子离子。
在他们的实验中，研究小组采用了奥尔胡斯（Aarhus）首创的方法，使用了镁离子和氢化镁离子云。该集合被“限制”在一个称为CryPTEx的离子阱中，该离子阱是由马克斯·普朗克核物理研究所的研究人员开发的（请参见背景）。捕集阱由四个杆状电极组成，这些电极平行排列，成对排列，一对电极在另一个电极上方，并具有相反的极性。高频交流电压被施加到电极上，以将离子限制在靠近阱的纵轴的中心。捕集阱被冷却到绝对零值以上几度，并且真空度极高，因此极少发生不利的碰撞。
与冷氦原子的碰撞减慢了分子离子的旋转
在陷阱中，物理学家使用激光束冷却了镁离子，简单地说，就是利用光子的压力减慢离子的速度。氢化镁离子由于其与镁离子的相互作用而依次冷却。这使研究人员可以将云的平移温度冷却至负273摄氏度，直到数百个颗粒固化形成规则晶体为止。在这种晶体中，与矿物所熟悉的晶体相比，粒子之间的距离非常大。因此，可以在光学显微镜下在其固定位置看到冷激光导致发光的颗粒。
冻结在陷阱中：在由四个电极组成的Paul阱中，冷氦离子从左后方流入。与悬浮在阱中心的离子晶体颗粒的碰撞会导致惰性气体原子减慢分子离子的旋转速度，从而降低其旋转温度。
为了对分子离子的旋转施加制动，从而降低其旋转温度，研究小组向捕集阱中注入了极弱的冷氦气。在离子晶体中，以悠闲速度飞行的氦原子与绕其自身轴旋转的氢化镁离子每秒万亿次碰撞。碰撞导致氦原子逐渐减慢分子离子的速度。“此过程与潮汐相似，”何塞·克雷斯波（JoséCrespo）解释说：“使中性氦原子极化的旋转离子有点像月亮产生潮汐凸起。”因此，在氦原子中感应出一个偶极子，该偶极子牵拉着旋转的分子离子，使其旋转得慢一点。
实验中的氦原子在不同的温度之间介导，因为它们在某些碰撞中将平移动能转移到分子离子，而在其他碰撞中则除去了旋转能。该小组还利用此效应通过放大捕获的粒子的规则微运动来加热分子离子的旋转运动。
晶体的大小和形状控制分子离子的加热
物理学家通过改变陷阱中离子晶体的形状和大小来提高分子离子的微运动速度：他们通过施加在陷阱电极上的交流电压来照原样揉捏晶体。电极产生的交变场仅沿陷阱轴等于零。分子离子离该轴的距离越远，它们对电场的振荡力的感觉就越强，它们的微运动越剧烈。旋涡状分子离子的部分动能在碰撞中被氦原子吸收，这些原子又将其转移到离子的旋转运动中，从而提高了其旋转温度。
对于丹麦与德国的合作，控制分子离子旋转的能力不仅可以控制微运动，进而可以控制旋转温度，还可以对该温度进行量子力学测量。科学家通过利用分子旋转运动被量化的事实来做到这一点。简而言之：分子的量子态对应于其旋转的某些速度。
在非常冷的温度下，分子仅占据很少的量子态。研究人员通过能量与该特定状态相匹配的激光脉冲，从晶体中去除了一种量子状态的分子。它们确定了在此过程中损失了多少离子，换句话说，根据剩余晶体的大小，有多少离子处于该特定的量子态。他们通过扫描几个量子态来确定分子离子的旋转温度。
精确控制量子态是许多实验的先决条件
JoséCrespo说：“能够精确地控制分子离子的旋转，从而精确地控制量子态，对许多实验都非常重要。”因此，如果科学家能够将反应物带入穿过星际空间漂移的相同量子态，则他们可以在实验室中重现它们在太空中发生的化学反应。只有这样，才能定量地了解分子是如何在太空中形成的，并最终解释星际云，恒星和行星的温床如何在物理和化学上演化。
这种用于旋转分子的速度控制旋钮也可以有助于更好地理解光合作用的量子物理学。在光合作用中，植物利用叶片中的叶绿素来收集阳光，最终将其能量用于形成糖和其他分子。尚不完全清楚为此所需的能量如何在叶绿素分子内进行量子机械转移。为了理解这一点，研究人员必须再次非常精确地控制和测量量子态以及所涉及分子的旋转。这样获得的发现可以作为将来某个时候模仿或优化光合作用的基础，以便为我们提供能量。
最后但并非最不重要的一点是，此控制是量子模拟以及通用量子计算的许多概念的先决条件。在量子模拟中，物理学家模仿了一个量子力学系统，该系统很难或什至不可能直接与另一个众所周知且可控制的量子系统进行检查。在物理学家试图开发的通用量子计算机中，目标是利用粒子的量子态极其快速地处理信息。分子可能是这种情况的候选者，随着分子旋转可以通过量子机械控制，它们的机会现在越来越多。
JoséCrespo说：“我们用于冷却分子旋转的方法为各种不同领域开辟了新的可能性。”他的团队现在也将使用这种新方法来研究有关量子力学世界的悬而未决的问题。
出版物：A. K. Hansen等人，“氦缓冲气体对库仑结晶的分子离子进行有效的旋转冷却”，《自然》，2014年； doi：10.1038 / nature12996
图片：J. R. Crespo / O。O. Versolato / MPI，用于核物理；亚历山大·金格尔/奥尔胡斯大学
