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化學反應通常隨機的發生在兩種反應物之間，化學家會將大量的原子在適當的條件下放到一起，剩下的事情就交給概率了。如果元素的結合是適合的匹配，那麼這種“隨機”的化學反應發生方法就沒什麼問題。但如果科學家想要在實驗室中將某些特別的原子配對時，就需要更強大的創造力了！
○ Kang-Kuen Ni | 圖片來源：Rose Lincoln/Harvard file photo
來自哈佛大學的化學家 Kang-Kuen Ni 和她的同事在這一方向上更進了一步，他們首次在實驗室中將兩個原子結合，形成所謂的偶極分子（dipolar molecule）。這是目前世界上控制得最為精確的化學反應。
當原子的結合讓化學反應發生時，原子變成了分子；分子又成了化學和生命的基石。在這之前，實驗室將成堆的原子結合在一起以製造分子，再用平均值來測量這些反應。這樣做的主要目的是為了更多地瞭解分子間的相互作用，從而實現對反應化學的控制，以及設計新的量子材料。
而在 Ni 領導的實驗中，他們所採用的是兩個原子分別是鈉（Na）和銫（Cs），這兩種元素都位於元素週期表的同一組中，這意味著它們具有非常相似的反應性質，同時也意味著它們不會輕易因碰撞結合成分子。雖然概率很低，但並不意味著絕不可能：如果兩個原子恰好以正確的能量足夠靠近，就可以形成連接 。
○ 圖片來源：Lee Liu 和 Yu Liu
Ni和她的同事首先將這兩種原子冷卻至非常低的溫度，這時超越氣體、液體和固體的新量子相就會出現。研究人員接著利用激光來捕捉原子，並在一個光偶極阱中將它們合併。當兩個原子處於“激發態”（excited-state），產生分子的反應就會發生。
Ni表示：“每個反應都是如此，原子和分子在微觀層面上會單獨結合。我們所做的不同之處是要對其進行更多的控制。利用光鑷捕捉兩種不同的原子，併發射激光脈衝使它們結合。整個過程發生在空氣密度非常低的超高真空中。”
雖然結合產生的分子的壽命很短暫，但實驗證明了化學反應過程是可以被精準控制的。
研究人員宣稱，
此次的發現對未來的量子計算機或許有著重要意義，因為偶極分子NaCs能構成一種新型的量子比特——量子信息的最小單元，將產生更高效的設備。Ni 說：“量子信息處理的方向是我們為之興奮的原因之一。在日常生活中，我們需要分子能用於所有不同的應用。但是分子的空間非常巨大，目前的計算機還不足以使我們對其進行充分的探索。如果我們能擁有可以解決複雜問題且有效探索分子空間的量子計算機，那這一研究結果的影響將是深遠的。”
下一步，Ni 和她的團隊打算通過在“基態”（ground-state）而非激發態將它們結合，從而創造出更持久的分子反應。Ni 認為之後將會有越來越多的科學家嘗試類似的實驗，因為這次的成功已經充分體現了——雖然精確的控制一個化學反應的過程非常困難，但卻是有可能實現的。既然已經有了在實驗室中創造出偶極分子的成功案例，那麼就也有可能創造出更大更復雜的分子。
這樣的研究結果足以令所有化學家為之興奮，因為在最基礎的層面控制分子間的相互作用是物理科學長期以來的一個目標。
編譯：二宗主
參考鏈接：
https://news.harvard.edu/gazette/story/2018/04/two-atoms-combined-in-dipolar-molecule-for-first-time/
https://www.sciencealert.com/dipole-molecule-created-using-laser-trapped-sodium-caesium-atoms
http://science.sciencemag.org/content/early/2018/04/11/science.aar7797
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