Interazioni tra molecole ultrafredde controllate dai fisici

Un modo per far collidere molecole ultrafredde controllando la velocità con cui reagiscono è stato sviluppato dai fisici del Massachusetts Institute of Technology (MIT) negli Stati Uniti. I ricercatori dell'Istituto tedesco Max Planck per l'ottica quantistica hanno fatto una scoperta simile utilizzando una tecnica sperimentale diversa. La loro ricerca apre nuove strade per un migliore controllo delle reazioni chimiche.

Le reazioni chimiche sono immensamente complesse, con un numero enorme di atomi e molecole che entrano in collisione tra loro mentre sono guidati da forze cinetiche. Questa complessità rende molto difficile concentrarsi sulle reazioni a livello atomico e molecolare.

Per aggirare questo problema di complessità, i ricercatori possono raffreddare atomi e molecole a temperature di microkelvin per limitare i possibili stati quantistici in cui possono trovarsi i reagenti. Le reazioni che coinvolgono questi atomi e molecole ultrafreddi possono quindi essere parzialmente controllate utilizzando laser o campi magnetici, fornendo importanti informazioni su processi chimici.

Una sfida nello studio delle molecole ultrafredde è che hanno stati quantici rotazionali e vibrazionali. Ciò rende le molecole molto più difficili da controllare rispetto agli atomi, e questo ha impedito agli esperimenti ultrafreddi di andare oltre le semplici reazioni atomo-atomo e atomo-molecola.

Risonanze di Feshbach

Ora, un team del MIT guidato dal premio Nobel Wolfgang Ketterle ha sviluppato un nuovo modo di controllare le molecole ultrafredde. La tecnica utilizza le risonanze di Feshbach, che si verificano quando due atomi o molecole in collisione formano brevemente uno stato legato. Le risonanze di Feshbach sono ampiamente utilizzate nello studio dei gas ultrafreddi perché possono essere utilizzate per mettere a punto le interazioni tra gli atomi.

L'applicazione delle risonanze di Feshbach agli atomi ultrafreddi è stata sperimentata da Ketterle nel 1998, quando ha osservato per la prima volta il fenomeno negli atomi di sodio ultrafreddi. Da allora, i ricercatori hanno cercato risonanze simili nelle collisioni che coinvolgono sia atomi che molecole. L'anno scorso, Ketterle e colleghi hanno utilizzato le risonanze di Feshbach per creare reazioni che coinvolgono atomi di sodio e molecole di sodio-litio. Hanno scoperto che gli effetti di interferenza quantistica relativi a rimbalzi multipli tra particelle in collisione possono essere costruttivi o distruttivi. Questo migliora o sopprime le reazioni di fattori di circa 100.

Ora i ricercatori del MIT hanno trovato una risonanza di Feshbach nelle collisioni tra coppie di molecole sodio-litio ultrafredde. Si verifica all'interno di un intervallo molto ristretto del campo magnetico applicato. Quando i ricercatori hanno esaminato una gamma di campi magnetici di oltre 1000 G, hanno trovato un aumento della velocità di reazione tra le molecole in una finestra ristretta di 25 mG. Il team ha concluso che la risonanza di Feshbach ha incoraggiato le molecole a spostarsi in un complesso intermedio relativamente longevo che a sua volta ha aumentato il numero di reazioni molecolari fino a 100 volte.

Grande sorpresa

Un'ulteriore analisi dei nuovi dati ha prodotto una scoperta sorprendente. Proprio alla risonanza, due stati della molecola hanno esattamente la stessa energia e quindi possono entrambi prendere parte all'urto. Anche se il risultato è stato inaspettato, Ketterle sottolinea che il sodio-litio è la molecola ultrafredda più leggera studiata. Di conseguenza, ha la più piccola densità di stati e quindi è altamente probabile che la molecola abbia uno stato isolato di lunga durata.

Per comprendere le loro osservazioni, il team ha sviluppato un modello che descrive la risonanza causata dal campo magnetico e il decadimento del complesso intermedio in un canale aperto causando la scomparsa della molecola.

Il loro modello è analogo alla luce che risuona all'interno di una cavità di Fabry-Perot, un dispositivo composto da due specchi sottili che trasmetteranno la luce a una specifica lunghezza d'onda di risonanza. La durata del complesso intermedio è analoga al tempo di andata e ritorno che un fotone trascorre all'interno di una cavità risonante.

Sebbene questo modello spieghi i risultati, rimangono alcune questioni aperte. Ad esempio, sarebbe utile sapere se queste risonanze strette sono uniche per le molecole con piccoli atomi – molecole che hanno una minore densità di stati. Sarebbe anche interessante esplorare se altri valori del campo magnetico creano complessi di lunga durata. Indubbiamente queste domande susciteranno un'ondata di entusiasmo nel campo della chimica ultrafredda e potrebbero portare a nuove applicazioni e intuizioni fisiche.

Nel controllo

Ketterle ritiene che la ricerca si rivelerà importante per la scienza quantistica, la chimica fisica e la chimica. Ma riconosce che è necessario lavorare di più e che senza una piena comprensione della risonanza è difficile fare previsioni per altre molecole. Tuttavia, afferma che l'osservazione del suo team ha reso più probabile l'esistenza di risonanze e complessi di collisione di lunga durata in altre molecole.

I fisici si avvicinano a un percorso più semplice per le molecole degenerate quantistiche

“Il campo sta attualmente progredendo verso il controllo a livello quantico su sistemi sempre più complessi. Il nostro lavoro è un passo per ottenere il controllo quantistico sulle collisioni e reazioni molecolari e per mappare in modo più ampio le proprietà collisionali di queste molecole con l'obiettivo di trovare una comprensione più profonda", dice Mondo della fisica.

BoZhao dell'Università di Scienza e Tecnologia della Cina elogia la scoperta del team di una risonanza di Feshbach magneticamente sintonizzabile tra molecole biatomiche ultrafredde dello stato fondamentale, aggiungendo che il lavoro è un importante progresso nelle molecole ultrafredde e nella chimica ultrafredda. Afferma che le risonanze di Feshbach tra le molecole potrebbero portare a molte nuove possibilità di ricerca, incluso lo studio di gas molecolari fortemente interagenti.

La ricerca è descritta in Natura. Nello stesso numero della rivista, Xin-Yu Luo e colleghi dell'Istituto tedesco Max Planck per l'ottica quantistica descrivere uno schema simile per il controllo della velocità di reazione di articoli sodio-potassio ultrafreddi. In questa ricerca, il team ha utilizzato la radiazione a microonde oscillante per creare la risonanza.

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• Fonte: https://physicsworld.com/a/interactions-between-ultracold-molecules-controlled-by-physicists/