手性分子研究实现量子态近乎完全分离

Josiah01

在《自然通讯》杂志发表的一项题为“旋转量子态中近乎完全的手性选择”的研究中，弗里茨哈伯研究所分子物理系受控分子小组在手性分子领域取得了重大飞跃。该团队由桑德拉·艾本伯格-阿里亚斯博士领导，实现了这些生命基本成分的量子态近乎完全的分离。
这一发现挑战了先前关于手性分子量子态控制实际极限的假设，并为分子物理学及其他领域的新研究方向铺平了道路。
手性分子是生命结构的基础，它们以两种不可重叠的镜像形式存在，称为对映体，类似于我们的左手和右手。控制这些分子及其量子态的能力具有深远的意义，从气相中对映体的空间分离到检验生命同手性起源的假设（即生物系统中对一个镜像的偏好胜过另一个镜像）。
到目前为止，科学界认为，完美控制这些分子的量子态在理论上是可能的，但在实践中无法实现。然而，弗里茨哈伯研究所的团队证明了事实并非如此。通过创造近乎理想的实验条件，他们已经证明，一种对映体（两个镜像之一）的量子态纯度可以达到 96%，而另一种仅为 4%，这大大接近 100% 选择性的目标。
这项突破是通过使用定制的微波场与紫外线辐射相结合而实现的，从而可以对分子进行前所未有的控制。在实验中，一束分子的旋转运动大部分被抑制（冷却到比绝对零度高约 1 度的旋转温度），穿过三个相互作用区域，在这些区域暴露于共振紫外线和微波辐射。结果，标志着分子束实验的重大进步，所选的旋转量子态几乎完全包含手性分子的选定对映体。
这项新实验为研究手性分子的基本物理和化学效应开辟了新的可能性。该团队的方法为探索手性分子中的宇称不守恒现象提供了一条新途径——这是理论预测但尚未通过实验观察到的现象。这可能对我们理解宇宙的基本 (a) 对称性产生深远影响。
本质上，这项研究表明，几乎完全的、对映体特定的状态转移是可以实现的，而且这种方法可以应用于绝大多数手性分子。预计这一发现将为分子物理学开辟重要的新机遇，包括新的研究方法和潜在的应用。