Interaksi antara molekul ultracold dikendalikan oleh fisikawan

Sebuah cara untuk menumbukkan molekul ultracold sambil mengontrol kecepatan reaksinya telah dikembangkan oleh fisikawan di Massachusetts Institute of Technology (MIT) di AS. Para peneliti di Max Planck Institute for Quantum Optics Jerman telah membuat penemuan serupa menggunakan teknik eksperimental yang berbeda. Penelitian mereka membuka jalur baru untuk meningkatkan kontrol reaksi kimia.

Reaksi kimia sangat kompleks, dengan sejumlah besar atom dan molekul saling bertabrakan saat digerakkan oleh gaya kinetik. Kompleksitas ini membuatnya sangat sulit untuk berfokus pada reaksi pada tingkat atom dan molekul.

Untuk mengatasi masalah kompleksitas ini, peneliti dapat mendinginkan atom dan molekul hingga suhu mikrokelvin untuk membatasi kemungkinan keadaan kuantum reaktan. Reaksi yang melibatkan atom dan molekul ultradingin ini kemudian dapat dikontrol sebagian menggunakan laser atau medan magnet, memberikan informasi penting tentang proses kimia.

Salah satu tantangan dalam mempelajari molekul ultracold adalah bahwa mereka memiliki keadaan kuantum rotasi dan vibrasi. Hal ini membuat molekul jauh lebih sulit untuk dikendalikan daripada atom, dan ini telah mencegah percobaan ultracold bergerak melampaui reaksi atom-atom dan atom-molekul sederhana.

Resonansi Feshbach

Sekarang, sebuah tim di MIT dipimpin oleh peraih Nobel Wolfgang Ketterle telah mengembangkan cara baru untuk mengendalikan molekul ultracold. Teknik ini menggunakan resonansi Feshbach, yang terjadi ketika dua atom atau molekul yang bertabrakan secara singkat membentuk keadaan terikat. Resonansi Feshbach banyak digunakan dalam studi gas ultradingin karena dapat digunakan untuk menyempurnakan interaksi antar atom.

Menerapkan resonansi Feshbach ke atom ultracold dipelopori oleh Ketterle pada tahun 1998, ketika ia membuat pengamatan pertama fenomena dalam atom natrium ultracold. Sejak itu, para peneliti telah mencari resonansi serupa dalam tumbukan yang melibatkan atom dan molekul. Tahun yg lalu, Ketterle dan rekannya menggunakan resonansi Feshbach untuk membuat reaksi yang melibatkan atom natrium dan molekul natrium-lithium. Mereka menemukan bahwa efek interferensi kuantum terkait dengan beberapa pantulan antara partikel yang bertabrakan dapat bersifat konstruktif atau destruktif. Ini meningkatkan atau menekan reaksi dengan faktor sekitar 100.

Sekarang para peneliti MIT telah menemukan resonansi Feshbach dalam tumbukan antara pasangan molekul natrium-lithium ultradingin. Itu terjadi dalam kisaran yang sangat sempit dari medan magnet yang diterapkan. Ketika para peneliti melihat rentang medan magnet lebih dari 1000 G, mereka menemukan peningkatan laju reaksi antar molekul dalam jendela sempit 25 mG. Tim menyimpulkan bahwa resonansi Feshbach mendorong molekul untuk bergerak ke kompleks perantara yang relatif berumur panjang yang pada gilirannya meningkatkan jumlah reaksi molekuler hingga 100 kali lipat.

Kejutan besar

Analisis lebih lanjut dari data baru menghasilkan penemuan yang mengejutkan. Tepatnya pada resonansi, dua keadaan molekul memiliki energi yang persis sama dan karena itu keduanya dapat mengambil bagian dalam tumbukan. Meskipun hasilnya tidak terduga, Ketterle menunjukkan bahwa natrium–lithium adalah molekul ultracold paling ringan yang sedang dipelajari. Akibatnya, ia memiliki kepadatan keadaan terkecil dan oleh karena itu sangat mungkin bahwa molekul tersebut memiliki keadaan terisolasi yang berumur panjang.

Untuk memahami pengamatan mereka, tim mengembangkan model yang menjelaskan resonansi yang disebabkan oleh medan magnet dan peluruhan kompleks perantara menjadi saluran terbuka yang menyebabkan molekul menghilang.

Model mereka analog dengan cahaya yang beresonansi di dalam rongga Fabry-Perot – perangkat yang terdiri dari dua cermin tipis yang akan mentransmisikan cahaya pada panjang gelombang resonansi tertentu. Masa pakai kompleks perantara ini analog dengan waktu bolak-balik yang dihabiskan foton di dalam rongga resonansi.

Sementara model ini menjelaskan hasilnya, masih ada beberapa pertanyaan terbuka. Misalnya, akan berguna untuk mengetahui apakah resonansi sempit ini unik untuk molekul dengan atom kecil – molekul yang memiliki kerapatan keadaan lebih rendah. Menarik juga untuk mengeksplorasi apakah nilai medan magnet lainnya menciptakan kompleks berumur panjang. Tidak diragukan lagi pertanyaan-pertanyaan ini akan memicu gelombang kegembiraan di bidang kimia ultracold dan dapat mengarah pada aplikasi baru dan wawasan fisik.

Terkendali

Ketterle yakin bahwa penelitian ini akan terbukti penting bagi sains kuantum, kimia fisik, dan kimia. Tapi dia mengakui bahwa lebih banyak pekerjaan yang harus dilakukan dan tanpa pemahaman penuh tentang resonansi sulit untuk membuat prediksi untuk molekul lain. Namun, dia mengatakan bahwa pengamatan timnya telah membuat resonansi dan kompleks tumbukan berumur panjang lebih mungkin ada di molekul lain.

Fisikawan mendekati rute yang lebih sederhana menuju molekul degenerasi kuantum

“Bidang saat ini sedang berkembang menuju kontrol pada tingkat kuantum atas sistem yang semakin kompleks. Pekerjaan kami adalah langkah untuk mencapai kontrol kuantum atas tumbukan dan reaksi molekuler dan untuk memetakan secara lebih luas sifat tumbukan molekul-molekul ini dengan tujuan untuk menemukan pemahaman yang lebih dalam”, katanya. Dunia Fisika.

Bo Zhao dari University of Science and Technology of China memuji penemuan tim tentang resonansi Feshbach yang dapat diatur secara magnetis antara molekul diatomik keadaan dasar ultracold, menambahkan bahwa pekerjaan tersebut merupakan kemajuan penting dalam molekul ultracold dan kimia ultracold. Dia menyatakan bahwa resonansi Feshbach antar molekul dapat mengarah pada banyak kemungkinan penelitian baru, termasuk studi tentang gas molekuler yang berinteraksi kuat.

Penelitian tersebut dijelaskan dalam Alam. Dalam jurnal yang sama, Xin-Yu Luo dan rekan-rekannya di Institut Max Planck Jerman untuk Optik Kuantum menggambarkan skema serupa untuk mengontrol laju reaksi artikel natrium-kalium ultradingin. Dalam penelitian ini, tim menggunakan radiasi gelombang mikro berosilasi untuk menciptakan resonansi.

• Konten Bertenaga SEO & Distribusi PR. Dapatkan Amplifikasi Hari Ini.
• Platoblockchain. Intelijen Metaverse Web3. Pengetahuan Diperkuat. Akses Di Sini.
• Sumber: https://physicsworld.com/a/interactions-between-ultracold-molecules-controlled-by-physicists/