糖果製作啟發新方法！加州理工學院首次製造出冷鐳分子，開啟量子實驗新紀元

加州理工學院（Caltech）研究團隊首次成功製造出含有放射性元素鐳（radium）的冷分子，為探索宇宙為何主要由物質而非等量物質與反物質構成，開闢了全新的研究途徑。

這項突破使科學家得以在桌上型實驗裝置中，利用雷射製備、冷卻並精確研究含鐳分子。這些分子可作為高靈敏度量子探針，能夠偵測到暗示現有物理學框架之外新粒子或新作用力存在的微弱訊號。

科學家普遍認為，宇宙大爆炸後不久，物質與反物質應以等量方式產生。由於粒子與其反物質相遇時會相互湮滅，物理學界長久以來一直難以解釋，為何普通物質得以存活，而反物質卻幾乎完全消失。

梨形原子核的關鍵優勢

研究團隊由物理學家 Nick Hutzler 領導，選擇鐳作為研究對象，原因在於其原子核具有不尋常的特徵。不同於大多數幾乎呈球形的原子核，鐳的原子核呈梨形，可大幅放大研究人員試圖偵測的微小對稱破缺效應。

Hutzler 表示：「梨形原子核具有不對稱性，能夠顯著放大我們試圖尋找、用以解釋物質與反物質不對稱性的潛在訊號。」

「大多數原子核像柳丁一樣呈球形，或像美式足球一樣朝單一方向延伸。鐳則具有我們所需的罕見梨形結構。」

然而，使用鐳進行研究面臨極大挑戰。這種元素具有放射性、極易發生反應，且僅能以極微量取得。為安全處理鐳元素，研究人員開發出一種受糖果製作工藝啟發的方法——將鐳與水及一種名為木糖醇（xylitol）的代糖混合，再蒸發液體，產生一種濃稠穩定的物質，便於運輸與後續處理。

鐳的混合物被放置在氦氣冷卻腔室內的金箔上，腔室溫度降至約攝氏零下 268 度（華氏零下 450 度）。雷射隨後將鐳原子激發至化學活性狀態，使其形成分子。另一套獨立的雷射系統則以高精度測量這些分子的量子特性。

精密量測工具應運而生

Hutzler 指出，整個研究流程的開發歷時多年反覆測試。他說：「如何從一小片鐳，製備出可供實驗室桌上型量子實驗使用的冷分子？我們花了多年時間不斷嘗試，才終於建立出一套處理鐳、製造分子、偵測分子並測量其特性的完整流程。」

這套方法的應用潛力不僅限於鐳。研究人員表示，同樣的技術可加以改良，用於製備其他重質放射性分子，以進行精密量子實驗。

研究團隊目前也在開發「工程化分子時鐘」——一種旨在降低通常會干擾精密量子測量的雜訊的方法。這項技術已在含鐿（ytterbium）分子上進行測試，預計未來將應用於鐳的研究。

Hutzler 表示：「我們的目標是利用這些極為複雜的分子，打造出最佳量子工具。我們正在對分子進行工程化設計，以實現精確的量子控制。」

相關研究成果已發表於國際頂尖學術期刊《科學》（Science）。

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