科学家首次拍摄到氦二聚体中的量子波

诸平

据德国法兰克福歌德大学（Goethe University Frankfurt, Goethe-Universität Frankfurt am Main）2020年12月23日提供的材料，一个由德国法兰克福歌德大学和美国俄克拉何马大学（University of Oklahoma）等单位的科研人员组成的研究团队首次成功地在氦二聚体（helium dimer）破裂时对量子物理效应进行了拍摄。影片显示了两个同时发生的事件以不同概率发生的物质波的叠加：氦二聚体的存活和分解。该方法将来可能使实验性地跟踪量子埃菲莫夫系统（quantum Efimov systems）的形成和衰变成为可能。相关研究结果于2020年12月21日在《自然物理学》（Nature Physics）杂志网站发表——Maksim Kunitski, Qingze Guan, Holger Maschkiwitz, Jörg Hahnenbruch, Sebastian Eckart, Stefan Zeller, Anton Kalinin, Markus Schöffler, Lothar Ph. H. Schmidt, Till Jahnke, Dörte Blume, Reinhard Dörner. Ultrafast manipulation of the weakly bound helium dimer. Nature Physics, 2020; DOI: 10.1038/s41567-020-01081-3. Published: 21 December 2020.

进入量子物理学世界的任何人都必须为日常生活中许多未知的事物做好准备：稀有气体形成化合物，原子同时表现为粒子和波，以及在宏观世界中相互排斥的事件同时发生。

在量子物理学领域，赖因哈德·多恩纳（Reinhard Dörner）和他的团队正在研究在大多数教科书中认为不应该存在的分子，如由两个氦原子组成的化合物，被称为氦二聚体（helium dimer, He₂）。氦属于稀有气体之一，普遍认为它电子排布特殊，化学性质极不活泼，不会形成任何化合物。但是，如果将其冷却至仅比绝对零度（-273 ℃）以上10度（-263 ℃），然后通过一个小喷嘴将其泵入真空室，使其变得更冷，则会形成为数不多的氦二聚。这些二聚体是宇宙中结合最弱的稳定分子，而分子中的两个原子相对应地彼此距离极远。虽然两个原子的化合物通常相距大约1Å（即0.1 nm）左右，但氦二聚体平均测量的结果却是其50倍，即52 Å（5.2 nm）。

法兰克福歌德大学的科学家用一种非常强大的激光闪光照射了这种氦二聚体，这使两个氦原子之间的键略微扭曲，足以使两个原子飞散。然后，他们第一次看到氦原子以波的形式飞走并将其记录在胶片上。

根据量子物理学，物体同时表现得像一个粒子和一种波，即波粒二象性特征。这在轻粒子（如光子）中最为人所知，一方面，它们像波一样叠加在一起，在它们之间可以堆积或相互抵消（干涉），这显示出波性特征，但是另一方面，“太阳风”可以通过太阳帆推动航天器则显示出粒子性特征。研究人员之所以能够在激光实验中观察到并拍摄成波形式飞行的氦原子，是因为氦原子仅以一定的概率飞走了：98％的概率仍然与它的第二个氦气伙伴结合在一起，但是以2％的概率飞走了。来了！量子物理学！这两个氦原子波叠加，可以测量它们的干涉。

这种“量子波”的测量可以扩展到具有多个伙伴的量子系统，例如由三个氦原子组成的氦三聚体。该研究的第一作者Maksim Kunitski说，氦三聚体很有趣，因为它可以形成所谓的“外来埃菲莫夫状态（exotic Efimov state）”：“这种三粒子系统是俄罗斯理论家维塔利·埃菲莫夫（Vitaly Efimov）在1970年预测的，并在铯原子研究中第一时间得到了证实。五年前，我们在氦三聚体中发现了埃菲莫夫状态，我们现在开发的激光脉冲辐照方法可以使我们将来观察埃菲莫夫系统的形成和衰变，从而更好地理解很难通过实验获得量子物理体系。”更多信息请注意浏览原文或者相关报道。

Quantum Wave Filmed For The First Time In Helium Dimer

Quantum wave in helium dimer filmed for the first time

 Abstract

Controlling the interactions between atoms with external fields opened up new branches in physics ranging from strongly correlated atomic systems to ideal Bose¹ and Fermi² gases and Efimov physics^3,4. Such control usually prepares samples that are stationary or evolve adiabatically in time. In contrast, in molecular physics, external ultrashort laser fields are used to create anisotropic potentials that launch ultrafast rotational wave packets and align molecules in free space⁵. Here we combine these two regimes of ultrafast times and low energies. We apply a short laser pulse to the helium dimer, a weakly bound and highly delocalized single bound state quantum system. The laser field locally tunes the interaction between two helium atoms, imparting an angular momentum of 2ℏ and evoking an initially confined dissociative wave packet. We record a video of the density and phase of this wave packet as it propagates from small to large internuclear distances. At large internuclear distances, where the interaction between atoms is negligible, the wave packet is essentially free. This work paves the way for future tomography of wave-packet dynamics and provides the technique for studying exotic and otherwise hardly accessible quantum systems, such as halo and Efimov states.

谈到氦的化合物，顺便简要介绍一下稀有气体的意外：氦气会形成奇怪的化合物的相关信息。

氦气是稀有气体中最稀有的一种，长期以来一直被认为是完全惰性的，因此太过僵化，无法与其他原子键合。2018年3月20日，克拉拉·莫斯科维兹（Clara Moskowitz）在《科学美国人》（Scientific American）杂志网站发表了题为“稀有气体的意外：氦气会形成奇怪的化合物（A Noble Gas Surprise: Helium Can Form Weird Compounds）”的文章。文章指出，氦气最终形成了化学化合物，令化学家感到惊讶。一种新的想法解释了此发现的化学，似乎打破了各地高中教科书中的规则。

2017年，科学家报道了这种化合物的生产过程（由钠和氦原子组成的晶体），但不知道它们是如何形成的。2018年3月5日，一个新的研究人员团队对其做了解释：氦气设法与其他原子结合而没有形成任何化学键，也就是说，没有共享或交换任何电子。该元素通过将带正电的原子彼此屏蔽，充当其驱避电荷之间的缓冲剂来实现此目的。俄罗斯斯科尔科沃科学技术学院（Skolkovo Institute of Science and Technology in Russia）的化学家，最初发现氦化合物的小组负责人阿尔特姆·奥加诺夫（Artem Oganov）说：“他们提出了一个解释，我喜欢这样的解释。这个模型是预测性的，它解释了我们到目前为止的所有观察结果。”

这些化合物之所以令人惊叹，是因为科学家曾认为氦极不可能与其他原子结合。这是因为氦原子不愿放弃其两个电子，而这两个电子完美地充满了唯一的电子壳层（electron shell，1s²）。每个原子都有这样的壳层，壳层还可以再分为不同的电子亚层。每个壳层中容纳特定数量的电子，并在原子核周围构造这些带负电的粒子（电子云）。原子更喜欢它们的壳层完全充满，并且会与其他原子结合，这些原子可以吸收额外的电子来填充壳层。壳层已满并且没有电子可借出或者接纳的元素被称为稀有气体元素。氦元素就是其中最小的元素，被认为是最惰性的。加利福尼亚州立大学诺斯里奇分校（California State University, Northridge）的化学家、也是提供新解释的团队负责人苗茂生（ Maosheng Miao音译）说：“然后，对2017年这项出色的工作做出解释。” 苗茂生的研究生刘震（Zhen Liu音译）是该论文的主要作者，该论文于2018年3月5日发表在《自然通讯》（Nature Communications）杂志上发表——Zhen Liu, Jorge Botana, Andreas Hermann, Steven Valdez, Eva Zurek, Dadong Yan, Hai-qing Lin, Mao-sheng Miao. Reactivity of He with ionic compounds under high pressure. Nature Communications, 2018, volume 9, Article number: 951. Published: 05 March 2018. https://doi.org/10.1038/s41467-018-03284-y.

“他们发现，如果将钠和氦放在一起并将其压缩到地球中心的压力时，钠实际上会与氦反应并形成稳定的化合物。” 起初，一些科学家认为氦可能毕竟会共享电子。但是苗茂生的研究小组提出了另一种解释：也许氦不提供或接受任何电子，但无论如何都与钠结合。

足够高的压力会压碎一组钠原子，使每个原子上的多余电子被挤出，从而将所有原子转变为带正电的离子（Na⁺）。每个Na⁺离子然后都排斥所有相邻的Na⁺离子，因为类似的电荷会相互排斥。苗茂生和他的同事认为，如果氦原子能够进入并位于钠离子之间，则正电荷之间的距离将会增加，排斥能则会减少，从而使材料稳定。苗茂生说：“我认为这是第一次不涉及化学键，但仍可以形成稳定的化合物。” 康奈尔大学（Cornell University）化学家罗尔德·霍夫曼（Roald Hoffmann）说：这是“非常聪明的工作。”

基于他们的假设，苗茂生的研究小组使用控制每个原子的量子力学定律进行了详尽的计算机计算，发现这些化合物确实可以起作用。“这个想法在计算中被证明是正确的，这真是令人兴奋，”纽约州立大学布法罗分校（University at Buffalo, S.U.N.Y.）的化学家，团队成员伊娃·祖雷克（Eva Zurek）说，“我们还可以预测以前没有研究过的新化合物。” 科学家希望实验人员将尝试创建新的化合物，其中包括氦与氟化镁和氟化钙的组合。

这一发现也可能对人们认为存在于我们星球深处的元素构成有影响。科学家曾经认为，氦无法与其他元素结合，因此不可能将其锁定在地球的岩石中。阿尔特姆·奥加诺夫说：“现在越来越清楚的是，这简直是过分简单化了。” “即使是最惰性的氦气，实际上也不如我们想象的那样惰性。它实际上可以形成稳定的化合物，并保留在地球的地幔中。”

未来，化学家们希望找到更通用的规则来预测何时会出现这种异常分子，因为在高压下，许多正常的化学定律都不适用。“这是一种奇怪的化学键，”德国亚琛工业大学（RWTH Aachen University）发现钠-氦组合的团队的合作者理查德·德龙斯科夫斯基（Richard Dronskowski）说：“如果您考虑了一会儿，一切都是完全合理的，但是您并不期望一开始就这样令人着迷。”更多信息请注意浏览原文或者相关报道。