A cryogenic apparatus with a rotatable substrate for matrix isolation spectroscopy of BaF in neon crystals down to 3.2 K

要理解这里所描述的工作，人们必须首先掌握物理学中一个简单而强大的理念：要观察分子的真实本质，你必须让它停止运动。在自然界中，原子和分子处于不断的、疯狂的运动之中，它们碰撞并快速旋转，以至于它们的内部信号相互模糊。科学家们使用一种称为基质隔离（matrix isolation）的技术来解决这个问题。他们将特定的分子捕捉在一个由无害、惰性气体（如氖）组成的固体块中，并将这个固体块冻结到比深空还要低的温度。在这个冰冻、刚性的笼子中，分子被完美地固定住，使研究人员能够极其精确地研究其行为。这种方法对于搜寻电子的一种幽灵般的属性——电偶极矩（electric dipole moment）——特别有价值。如果这种属性存在，它将动摇我们对宇宙基本法则的理解，但由于它极其微小，因此需要最静止、最安静的环境才能探测到。

一支研究团队现在制造出了一台新机器，专门用于为一种叫做单氟化钡（barium monofluoride）的分子创造这些超低温、冰冻的笼子。这种分子是此次搜寻工作的理想候选者，因为其沉重的钡原子会放大科学家们正在寻找的微弱效应。研究人员构建了一个复杂的真空室，作为生长这些晶体的实验室。在其中，他们使用高功率激光轰击单氟化钡的固体靶材，从而产生原子和分子的云团。这团云团随后被一股冷气体流（要么是氖，要么是某种特殊形式的氢气）吹向一个腔室，最后落在蓝宝石板上。该板由机械制冷机冷却至惊人的 3.2 开尔文，这是一个仅略高于绝对零度的温度。在这种极度寒冷的条件下，气体分子会立即冻结，形成一个将单氟化钡捕捉在内的固体晶体。

这个新装置的独特之处在于，它能够在不破坏真空或升温的情况下旋转冻结的样品。一旦晶体生长完成，研究人员就可以旋转板面以面对不同的仪器。他们可以向晶体投射激光，观察它吸收了多少光；或者也可以将其转向一面镜子，以收集晶体发出的荧光。这种灵活性使他们能够以多种方式研究同一个单晶，确保测量结果具有一致性，且不会因不同样品之间的差异而产生偏差。利用这一装置，团队成功生长了掺杂了单氟化钡的氖晶体，并确认了分子已被捕捉且保持稳定。当他们向晶体照射特定激光时，分子吸收了能量，随后将其重新发射为一种荧光。通过分析这种荧光，他们识别出了分子的特定能级，证实了氖晶体环境的行为与气相非常相似，而这正是进行精确测量所必需的。

研究人员还使用另一种类型的气体——一种被称为对氢（para-hydrogen）的特殊形式的氢气——对系统进行了测试。虽然氖气表现良好，但从理论上讲，氢气对于这些实验来说甚至更好，因为它更轻，与被捕获分子的相互作用也更少。团队成功利用氢气作为冷却气体生产了单氟化钡，这标志着在利用这种更优越的介质生长晶体方面迈出了重要的一步。然而，这项研究也揭示了一个在未来实验中必须处理的挑战。当激光光强过大或晶体温度极低时，分子的发光信号会迅速减弱。研究人员确定这并非分子本身的问题，而是一种暂时性的效应，即强光或局部加热导致分子暂时停止发光。他们发现，随着温度降低和激光功率增加，这种褪色效应会变得更加显著。

除了单氟化钡之外，团队还注意到他们的激光同时也产生了中性钡原子，这些原子也被捕捉在晶体中，并发出各自独特的颜色。这证实了激光轰击过程会产生多种不同种类的物质，所有这些物质最终都会进入冰冻块中。通过测量荧光的亮度，科学家们估算了晶体中捕获的单氟化钡分子的数量，发现其密度在每平方厘米 5 × 10¹³ 个分子的数量级。这台新机器，凭借其可旋转的样品和达到低至 3.2 开尔文温度的能力，提供了一个稳健的平台，用于未来的研究。它证明了科学家可以生长这些脆弱的晶体，控制其环境，并开始进行探测电子电偶极矩的精确工作，使我们离回答物理学中最深刻的问题又近了一步。