大家都知道化學反應由原子或者分子之間的碰撞而實現，如果用反應方程來表達，有些反應看起來就很簡單，例如2H2O + 2Na = 2NaOH + H2，就只有四種原子和分子。但是實際進行反應的時候，比如室溫下將鈉投入水中，情況則要複雜的多。儘管實際上是鈉原子和水分子在微觀尺度上的反應，但一小塊鈉包含的原子總數是它的摩爾量乘以阿伏伽德羅常數（6.02×1023），水分子的數量同樣多的驚人，還要考慮到局部相互作用和反應條件的差異，想要精確控制或探索一個鈉原子和一個水分子的反應幾乎不可能，而對反應機理的研究只能以宏觀尺度的觀測數據為基礎再平均。那麼，到底有沒有可能控制單個原子或者單個分子進行反應呢？目前，科學家使用掃描隧道顯微鏡或者原子力顯微鏡等技術，可以在單個原子或分子尺度監測反應，但這隻適用於表面反應。
最近，哈佛大學的Kang-Kuen Ni教授等人做出突破，首次實現了精確控制兩個原子反應生成一個偶極分子（dipolar molecule）。他們使用光鑷（optical tweezer）技術分別控制兩個激光冷卻的超冷原子：鈉（Na）原子和銫（Cs）原子，在一個光學偶極阱中碰撞，吸收光子並形成一個激發態分子NaCs*。在他們的實驗中，反應方程Na + Cs = NaCs*原原本本地精確描述了實驗室中發生的實際過程。該工作發表在Science 上，並被選為封面文章。
在講述該工作之前先提一下光鑷技術。光鑷是利用光的力學效應對微小物體實現捕捉和操縱的光學微操縱手段。我們在日常生活中使用鑷子時，實際上是手通過鑷子對物體施加一定的力來夾起物體，而光鑷是利用光場與物體的相互作用，然後通過移動光束來移動物體。光鑷技術在原子物理學領域有廣泛的應用，其代表就是利用激光冷卻和捕獲原子。
在這篇工作中，作者通過光鑷技術控制鈉原子和銫原子，使它們限制在一定區域，該操作條件需要超高真空度，氣壓只有10-8 Pa。兩種光鑷的激光波長分別是700 nm和976 nm，因為鈉原子與銫原子的可極化性（polarizability）不同，700 nm波長的光吸引鈉原子，排斥銫原子，而900 nm 波長的光吸引銫原子的作用力比吸引鈉原子的作用力強五倍多，利用這兩種波長的光可以將激光冷卻的超冷鈉原子和銫原子（低於100 μK）限制在一個光鑷內。當鈉原子和銫原子都在同一光鑷內時，在光子作用下反應生成激發態的NaCs*，反應方程式為Na + Cs = NaCs*，形成的激發態NaCs*很快衰減回到基態。當然，該反應並不是每次都成功，通過原子的熒光圖像可以觀察到碰撞之後光鑷內原子的個數。
作者以兩種方式證實了激發態NaCs分子的形成：（一）監測銫原子和鈉原子的熒光，一旦原子結合成分子，熒光就會消失；（二）檢測激發態NaCs分子的紅外光譜中的特徵振動線，可以證實該分子的形成。儘管激發態NaCs分子的壽命很短，但該反應證明可以通過使用激光刺激而非外加其他原子（例如催化劑）形成分子。
“利用這種方案，我們可以在單原子水平上控制化學反應，而不依賴於原子之間的隨機碰撞，”該文第一作者、Kang-Kuen Ni教授課題組的博士生Lee Liu說。[2]
Kang-Kuen Ni教授。
同期Science 上還刊登了以色列魏茨曼科學研究所Edvardas Narevicius教授對此項工作的評述，他認為這一工作“開啟了很多有趣的研究方向”，有望“以前所未有的精度研究複雜反應的微觀機理”，同時該方法中製備的偶極分子可以作為新型量子位，有望用於量子計算或研究量子相位的工具。[3]
最後還要提一下哈佛大學的官網新聞，在報道這一工作時語氣很有些“調皮”，稱其為“哈佛有史以來‘最小’的科學突破，就規模而言（In terms of size, it may be the smallest scientific breakthrough ever made at Harvard）”。[1] 筆者在想，科學也需要傳播，偶爾不那麼嚴肅，會不會感覺更親近一些呢？
原文：
Building one molecule from a reservoir of two atoms
L. R. Liu, J. D. Hood, Y. Yu, J. T. Zhang, N. R. Hutzler, T. Rosenband, K.-K. Ni
Science, 2018, 360, 900-903, DOI: 10.1126/science.aar7797
導師介紹
Kang-Kuen Ni
http://www.x-mol.com/university/faculty/1387
1.https://news.harvard.edu/gazette/story/2018/04/two-atoms-combined-in-dipolar-molecule-for-first-time/
2. https://physics.aps.org/articles/v11/60
3. Cold chemistry with two atoms. Science, 2018, 360, 855-856, DOI: 10.1126/science.aat7917
（本文由Sunshine供稿）