A fizikusok által irányított ultrahideg molekulák közötti kölcsönhatások

Az egyesült államokbeli Massachusetts Institute of Technology (MIT) fizikusai kidolgoztak egy módszert az ultrahideg molekulák ütköztetésére, miközben szabályozzák azok reakciósebességét. A német Max Planck kvantumoptikai intézet kutatói hasonló felfedezést tettek más kísérleti technikával. Kutatásaik új utakat nyitnak meg a kémiai reakciók fokozott szabályozásához.

A kémiai reakciók rendkívül összetettek, hatalmas számú atom és molekula ütközik egymással, miközben kinetikus erők hajtják őket. Ez az összetettség nagyon megnehezíti az atomi és molekuláris szintű reakciókra való összpontosítást.

Ennek az összetettségi problémának a megkerülésére a kutatók lehűthetik az atomokat és molekulákat mikrokelvin-hőmérsékletre, hogy korlátozzák a lehetséges kvantumállapotokat, amelyekben a reagensek lehetnek. Az ilyen ultrahideg atomokat és molekulákat érintő reakciók ezután részben szabályozhatók lézerekkel vagy mágneses mezőkkel, ami fontos információkat szolgáltat kémiai folyamatok.

Az ultrahideg molekulák tanulmányozásának egyik kihívása az, hogy vannak forgási és rezgési kvantumállapotaik. Ez sokkal nehezebbé teszi a molekulák irányítását, mint az atomokat, és ez megakadályozta, hogy az ultrahideg kísérletek túllépjenek az egyszerű atom–atom és atom–molekula reakciókon.

Feshbach rezonanciák

Most egy csapat az MIT-n a Nobel-díjas vezetésével Wolfgang Ketterle új módszert fejlesztett ki az ultrahideg molekulák szabályozására. A technika Feshbach-rezonanciákat használ, amelyek akkor fordulnak elő, amikor két egymásnak ütköző atom vagy molekula rövid időre kötött állapotot alkot. A Feshbach-rezonanciákat széles körben használják az ultrahideg gázok tanulmányozására, mivel az atomok közötti kölcsönhatások finomhangolására használhatók.

A Feshbach-rezonanciák ultrahideg atomokra történő alkalmazásának úttörője Ketterle volt 1998-ban, amikor először észlelte az ultrahideg nátriumatomok jelenségét. Azóta is hasonló rezonanciákat keresnek a kutatók az atomok és molekulák ütközéseiben. TavalyKetterle és munkatársai Feshbach-rezonanciákat használtak nátriumatomok és nátrium-lítium molekulák részvételével zajló reakciók létrehozására. Azt találták, hogy az ütköző részecskék közötti többszörös visszapattanásokkal kapcsolatos kvantuminterferencia hatások lehetnek építőek vagy destruktívak. Ez körülbelül 100-szoros faktorral fokozza vagy elnyomja a reakciókat.

Az MIT kutatói most Feshbach-rezonanciát találtak ultrahideg nátrium-lítium molekulapárok ütközésében. Az alkalmazott mágneses tér nagyon szűk tartományában fordul elő. Amikor a kutatók átnéztek egy 1000 G-nál nagyobb mágneses tértartományt, megnövekedett reakciósebességet találtak a molekulák között egy szűk 25 mg-os ablakban. A csapat arra a következtetésre jutott, hogy a Feshbach-rezonancia arra ösztönözte a molekulákat, hogy egy viszonylag hosszú élettartamú köztes komplexumot képezzenek, ami viszont akár 100-szorosára növelte a molekuláris reakciók számát.

Nagy meglepetés

Az új adatok további elemzése meglepő felfedezést hozott. Pontosan a rezonanciánál a molekula két állapota pontosan azonos energiájú, ezért mindkettő részt vehet az ütközésben. Bár az eredmény váratlan volt, Ketterle rámutat, hogy a nátrium-lítium a legkönnyebb vizsgált ultrahideg molekula. Ennek eredményeként ennek a legkisebb az állapotsűrűsége, és ezért nagy a valószínűsége annak, hogy a molekula izolált állapotú, amely hosszú életű.

Megfigyeléseik megértése érdekében a csapat kidolgozott egy modellt, amely leírja a mágneses tér által okozott rezonanciát és a köztes komplex bomlását egy nyitott csatornába, ami a molekula eltűnését okozza.

Modelljük analóg a Fabry-Perot üregben rezonáló fénnyel – egy olyan eszközzel, amely két vékony tükröt tartalmaz, amelyek meghatározott rezonanciahullámhosszon továbbítják a fényt. A közbenső komplex élettartama analóg az oda-vissza út idejével, amelyet a foton a rezonáns üregben tölt.

Bár ez a modell megmagyarázza az eredményeket, néhány nyitott kérdés továbbra is fennáll. Hasznos lenne például tudni, hogy ezek a szűk rezonanciák egyediek-e a kis atomokat tartalmazó molekulákra – azokra a molekulákra, amelyeknek kisebb az állapotsűrűsége. Szintén érdekes lenne megvizsgálni, hogy más mágneses térértékek hoznak-e létre hosszú élettartamú komplexeket. Kétségtelen, hogy ezek a kérdések izgalmat keltenek az ultrahideg kémia területén, és új alkalmazásokhoz és fizikai meglátásokhoz vezethetnek.

Hatalmon

Ketterle úgy véli, hogy a kutatás fontosnak bizonyul majd a kvantumtudomány, a fizikai kémia és a kémia szempontjából. De elismeri, hogy még több munkát kell végezni, és a rezonancia teljes megértése nélkül nehéz jóslatokat tenni más molekulákra. Azt mondja azonban, hogy csapata megfigyelései alapján valószínűbb, hogy rezonanciák és hosszú élettartamú ütközési komplexumok léteznek más molekulákban.

A fizikusok egy egyszerűbb út felé közelednek a kvantumdegenerált molekulák felé

„A terület jelenleg az egyre bonyolultabb rendszerek kvantumszintű irányítása felé halad. Munkánk egy lépés a molekuláris ütközések és reakciók kvantumszabályozásának eléréséhez, valamint ezen molekulák ütközési tulajdonságainak szélesebb körű feltérképezéséhez a mélyebb megértés érdekében” – mondja. Fizika Világa.

Bo Zhao a Kínai Tudományos és Technológiai Egyetem munkatársa méltatja, hogy a csapat felfedezett egy mágnesesen hangolható Feshbach-rezonanciát az ultrahideg alapállapotú kétatomos molekulák között, hozzátéve, hogy a munka fontos előrelépés az ultrahideg molekulák és az ultrahideg kémia terén. Kijelenti, hogy a molekulák közötti Feshbach-rezonanciák számos új kutatási lehetőséghez vezethetnek, beleértve az erősen kölcsönható molekuláris gázok tanulmányozását.

A kutatás leírása a Természet. A folyóirat ugyanabban a számában Xin-Yu Luo és munkatársai a német Max Planck kvantumoptikai intézetben írjon le egy hasonló sémát ultrahideg nátrium-kálium termékek reakciósebességének szabályozására. Ebben a kutatásban a csapat oszcilláló mikrohullámú sugárzást használt a rezonancia létrehozására.

• SEO által támogatott tartalom és PR terjesztés. Erősödjön még ma.
• Platoblockchain. Web3 metaverzum intelligencia. Felerősített tudás. Hozzáférés itt.
• Forrás: https://physicsworld.com/a/interactions-between-ultracold-molecules-controlled-by-physicists/