Science封面：化学合成的终点？将原子直接拼接成分子

pangzi

化学反应通常是由原子或分子通过正确取向的碰撞产生的，但不论是碰撞还是取向都是随机的。因此，传统化学家对某个反应进行研究往往是研究整个反应体系的平均状态，而不能做到对反应体系中某个分子的碰撞进行单独研究。随着科技的发展，一些技术已经能通过降低分子的热力学扩散速度实现对基元反应的探测。为了从最基本的结构单元上观测一个反应的进行过程，人们必须拥有对单个分子甚至单个原子的控制能力。现阶段，扫描隧道显微镜（STM）是一种较为普遍的单原子操控方法，但是STM这种技术只能在某种材料的表面进行原子级的提取与放置，因此人们更加渴求一种能对原子进行自由操作的技术。光镊子（Optical Tweezer）是一种利用光学梯度力形成的光阱操作微小粒子的技术。由于其具有非接触性和非破坏性等优势，光镊子在物理、化学、材料、机械、生物及医学等领域拥有广泛的应用空间。

近日，哈佛大学的Kang-Kuen Ni助理教授带领团队通过光镊子操控了两个原子的移动，使它们结合到一起并在光子的帮助下成功地进行了反应。团队在可移动光镊子的帮助下，对一个钠（Na）原子和一个铯（Cs）原子进行了操控，最终使得两个原子处于同一个光阱中，并对原子间的碰撞进行了研究。此外，通过对原子的激发，团队成功实现了单个钠原子和铯原子的反应。该成果以“Building one molecule from a reservoir of two atoms”为题发表于Science，并被选为Science封面文章（DOI: 10.1126/science.aar7797）。

图1. a）反应装置示意图；b）钠原子（橘色）和铯原子（蓝色）的单分子荧光图像；c）钠原子（橘色）和铯原子（蓝色）荧光图像的直方图（图片来源：Science, 2018, 900–903）

如何获得单个钠原子和铯原子并稳定地保存它们是整个试验的基础，也是作者面临的第一个问题。作者通过激光冷却技术将钠原子和铯原子的温度降低到接近绝对零度（<1 mK），并在高真空条件（10-8 Pa）下将激光冷却的原子保存在磁光阱中得到了较为稳定的单个原子。接着作者马上面临了第二个问题——如何有效地对两个原子进行控制而不产生相互干扰。虽然原则上可以通过不同波长的光束对原子进行操控，但是如何选取较为合适的波长则是一个耗时耗力的工作。通过文献及试验，作者发现700 nm的光会吸引钠原子但会排斥铯原子，而976 nm的光对铯原子的吸引力是钠原子的5倍。因此通过这两束光对两种原子进行单独操控不会被干扰（图1）。此外，原子从磁光阱到光镊子的转移并不能100%成功。作者通过多次试验发现，将钠原子和铯原子成功转移到光镊子上的几率仅有33%，而大部分的情况是只成功转移一个原子或者完全失败。

图2. 铯原子向钠原子移动的过程：a）不同时间铯原子的移动情况；b）移动过程中以钠原子光捏为中心铯原子含量的变化（图片来源：Science, 2018, 900–903）

在确定了原子可以都装载到对应的光镊子中后，如何移动它们使之处于同一个位置成为了作者需要解决的下一个问题。由于700 nm的光束会排斥铯原子，所以作者采取的策略是用700nm的光镊子将钠原子保持在原位，而976 nm的光镊子则控制着铯原子缓慢移动到钠原子的位置（图2a）。当两者重合的时候，去掉700 nm的光镊子以防止铯原子逃逸。在这之后，作者着手研究钠原子和铯原子之间的碰撞现象。原子之间的碰撞通常不会直接生成一个新分子，但是碰撞引起的原子超精细态的改变会给予原子足够的动能，使得它们从光镊子中逃逸出来。因此，一次试验可能出现四种不同的结果：光镊子中保留1）两个原子；2）一个钠原子；3）一个铯原子；4）0个原子。多次试验结果表明，当两个原子都处于能量中等的超精细态的时候，撞击产生的能量会使得光镊子中的原子以较快的速度逃逸（8 ms, 图3上）；而当两个原子都处于能量最低的超精细态时，撞击光后镊子中的原子可以保留较长时间（0.65 s, 图3上）。

图3. 钠原子与铯原子撞击结果（上）和光缔合反应（下）（图片来源：Science, 2018, 900–903）

最后，作者对两个原子进行了光缔合（photoassociation, PA）反应研究，结果发现钠原子和铯原子在光照的条件下会生成一个处于激发态的分子NaCs*（图3下）。作者表示，这种通过光镊子控制两个原子反应的技术原则上并不局限于双碱金属的反应。此外，以这种技术为基础，通过研究更为复杂的分子形成过程可以为化学家提供最为详细的反应信息。