Interaksjoner mellom ultrakalde molekyler kontrollert av fysikere

En måte å kollidere ultrakalde molekyler på mens de kontrollerer hastigheten de reagerer på er utviklet av fysikere ved Massachusetts Institute of Technology (MIT) i USA. Forskere ved det tyske Max Planck-instituttet for kvanteoptikk har gjort en lignende oppdagelse ved å bruke en annen eksperimentell teknikk. Forskningen deres åpner nye veier for forbedret kontroll av kjemiske reaksjoner.

Kjemiske reaksjoner er uhyre komplekse, med et stort antall atomer og molekyler som kolliderer med hverandre mens de drives av kinetiske krefter. Denne kompleksiteten gjør det svært vanskelig å fokusere på reaksjoner på atom- og molekylnivå.

For å komme rundt dette kompleksitetsproblemet kan forskere kjøle ned atomer og molekyler til mikrokelvin-temperaturer for å begrense mulige kvantetilstander reaktantene kan være i. Reaksjoner som involverer disse ultrakalde atomene og molekylene kan deretter delvis kontrolleres ved hjelp av lasere eller magnetiske felt, og gir viktig informasjon om kjemiske prosesser.

En utfordring med å studere ultrakalde molekyler er at de har rotasjons- og vibrasjonskvantetilstander. Dette gjør molekyler mye vanskeligere å kontrollere enn atomer, og dette har forhindret ultrakalde eksperimenter fra å bevege seg utover enkle atom-atom- og atom-molekylreaksjoner.

Feshbach-resonanser

Nå, et team ved MIT ledet av nobelprisvinneren Wolfgang Ketterle har utviklet en ny måte å kontrollere ultrakalde molekyler på. Teknikken bruker Feshbach-resonanser, som oppstår når to kolliderende atomer eller molekyler kort danner en bundet tilstand. Feshbach-resonanser er mye brukt i studiet av ultrakalde gasser fordi de kan brukes til å finjustere interaksjoner mellom atomer.

Å bruke Feshbach-resonanser på ultrakalde atomer ble banebrytende av Ketterle i 1998, da han gjorde den første observasjonen noensinne av fenomenet i ultrakalde natriumatomer. Siden den gang har forskere lett etter lignende resonanser i kollisjoner som involverer både atomer og molekyler. I fjor, Ketterle og kolleger brukte Feshbach-resonanser for å lage reaksjoner som involverer natriumatomer og natrium-litiummolekyler. De fant at kvanteinterferenseffekter relatert til flere sprett mellom kolliderende partikler kan være konstruktive eller destruktive. Dette enten forsterker eller undertrykker reaksjonene med faktorer på omtrent 100.

Nå har MIT-forskerne funnet en Feshbach-resonans i kollisjoner mellom par av ultrakalde natrium-litium-molekyler. Det forekommer innenfor et veldig smalt område av det påførte magnetfeltet. Da forskerne så over et magnetfeltområde på mer enn 1000 G, fant de en økt reaksjonshastighet mellom molekyler i et smalt vindu på 25 mg. Teamet konkluderte med at Feshbach-resonansen oppmuntret molekylene til å bevege seg inn i et relativt langvarig mellomkompleks som igjen økte antallet molekylære reaksjoner opptil 100 ganger.

Stor overraskelse

Ytterligere analyse av de nye dataene ga en overraskende oppdagelse. Nettopp ved resonansen har to tilstander av molekylet nøyaktig samme energi og kan derfor begge delta i kollisjonen. Selv om resultatet var uventet, påpeker Ketterle at natrium-litium er det letteste ultrakalde molekylet som studeres. Som et resultat har det den minste tettheten av tilstander og at det derfor er høyst sannsynlig at molekylet har en isolert tilstand som har lang levetid.

For å forstå observasjonene deres utviklet teamet en modell som beskriver resonansen forårsaket av magnetfeltet og forfallet av det mellomliggende komplekset til en åpen kanal som får molekylet til å forsvinne.

Modellen deres er analog med lys som resonerer i et Fabry-Perot-hulrom - en enhet som består av to tynne speil som vil overføre lys ved en spesifikk resonansbølgelengde. Levetiden til det mellomliggende komplekset er analog med tur-retur-tid som et foton bruker inne i et resonanshulrom.

Selv om denne modellen forklarer resultatene, gjenstår det noen åpne spørsmål. For eksempel ville det være nyttig å vite om disse smale resonansene er unike for molekyler med små atomer - molekyler som har en lavere tetthet av tilstander. Det vil også være av interesse å undersøke om andre magnetfeltverdier skaper langlivede komplekser. Utvilsomt vil disse spørsmålene utløse en bølge til spenning innen ultrakald kjemi og kan føre til nye bruksområder og fysisk innsikt.

I kontroll

Ketterle tror forskningen vil vise seg å være viktig for kvantevitenskap, fysisk kjemi og kjemi. Men han erkjenner at mer arbeid må gjøres og at uten full forståelse av resonansen er det vanskelig å komme med spådommer for andre molekyler. Han sier imidlertid at teamets observasjon har gjort det mer sannsynlig at resonanser og langlivede kollisjonskomplekser eksisterer i andre molekyler.

Fysikere nærmer seg en enklere vei til kvantedegenererte molekyler

"Feltet går for tiden frem mot kontroll på kvantenivå over flere og mer komplekse systemer. Vårt arbeid er et skritt for å oppnå kvantekontroll over molekylære kollisjoner og reaksjoner og kartlegge kollisjonsegenskapene til disse molekylene bredere med mål om å finne en dypere forståelse, sier han. Fysikkens verden.

Bo Zhao fra University of Science and Technology of China hyller teamets oppdagelse av en magnetisk avstembar Feshbach-resonans mellom ultrakalde grunntilstandsdiatomiske molekyler, og legger til at arbeidet er et viktig fremskritt innen ultrakalde molekyler og ultrakald kjemi. Han uttaler at Feshbach-resonanser mellom molekyler kan føre til mange nye forskningsmuligheter, inkludert studiet av sterkt interagerende molekylære gasser.

Forskningen er beskrevet i Natur. I samme nummer av tidsskriftet, Xin-Yu Luo og kolleger ved Tysklands Max Planck Institute for Quantum Optics beskrive et lignende opplegg for å kontrollere reaksjonshastigheten til ultrakalde natrium-kaliumartikler. I denne forskningen brukte teamet oscillerende mikrobølgestråling for å skape resonans.

• SEO-drevet innhold og PR-distribusjon. Bli forsterket i dag.
• Platoblokkkjede. Web3 Metaverse Intelligence. Kunnskap forsterket. Tilgang her.
• kilde: https://physicsworld.com/a/interactions-between-ultracold-molecules-controlled-by-physicists/