将大分子冷却到1／10开尔文

将大分子冷却到1／10开尔文
　　
　　作者：CorinnaWu文，葛韶锋译
　　
　　摘要/内容：
　　
　　物理学家们可以将单原子分子以及小分子冷却到只有千分之几开尔文，但是却很难将大分子降到10K以下。可喜的是，据去年十二月十五日出版的《物理学评论快报》（PRL:PhysicalReviewLetters）的报道，使用一种新发明的技术可以将有机大分子冷却到十分之一开尔文的低温，这项技术对于蛋白质和其它生物分子也应该是适用的。在这么低的温度下，科学家们可以以前所未有的精度研究分子结构和化学过程，并有望验证物理学中的基本问题。
　　
　　计算机模拟显示，中心部位的钡138离子（蓝色标记部分）；其它的钡同位素（红色标记部分）以及大分子离子（绿色标记部分）在射频离子阱中被冷却到不足十分之一开尔文的低温。在这之前，大分子从来没有被冷却到这样的低温。
　　
　　在光谱学中，研究者们通过测量分子吸收和辐射光子的特征频率来研究分子结构。低温意味着分子的运动和振动都会减弱，运动导致的影响光波频率的多普勒效应（DopplerEffect）也就随之减弱，从而改善光谱测量的精度。
　　
　　德国杜塞尔多夫Heinrich-HeineUniversity的BernhardRoth认为，精确光谱测量使得物理学家们可以检验现有的物理理论。比如说，他建议比较互为镜像分子的光谱能量。在此之前还没有人测得左旋分子和右旋分子（它们并不是对称的，自然界中常常只存在其中的一种，这表示存在所谓的宇称破缺）之间有能量差别。但是如果实验的精度足够高的话，就有可能测量到弱相互作用的这种间接效应。
　　
　　冷却大分子是很困难的，因为它们会以很多不同的方式运动，每一种运动方式都必须得到有效的控制才能够将它们冷却到很低的温度。Roth及其同事使用交感冷却法（SympatheticCooling）成功地冷却了一个由四十二个原子组成的染料（Dye）分子AlexaFluor350（AF）。他们首先将带有正电荷的AF离子放入到电磁势阱中，然后再加入钡离子（BariumIon）。对于钡离子采用标准的冷却技术——用选定频率的激光束迫使离子反复吸收并辐射出光子，在这个过程中不断损失能量——将之冷却。
　　
　　由于钡粒子和AF离子都是带正电的，它们相互排斥。质量较轻的钡离子聚集在势阱的中心，而AF离子在它们的四周形成离子壳。温度较高的AF离子不断运动，通过排斥力挤压中心的钡离子，从而将自身的能量传递给钡离子。钡离子获得的能量又不断通过吸收和辐射光子被带出势阱。在几分钟之内，钡离子的温度就可以达到25毫开尔文，而AF离子的温度则可以达到95毫开尔文。
　　
　　Roth说：“这种技术可以应用于冷却任何一种带电的大分子。在将来，我们希望能够冷却更大的分子，比如说蛋白质和多聚物。”冷却后的分子可以在势阱中保持这一状态长达几个小时甚至几天，这使得研究者们可以仔细地研究分子内部发生的物理化学过程，比如说缓慢的电流。德克萨斯州A&M大学的HansSchuessler——他领导的小组用类似的方法将富勒物（Fullerenes）冷却到了14开尔文——认为这是一篇非常出色的文章：“很长一段时间来这一直是非常吸引人的课题，直到现在才获得了进展。”
　　