Interacțiuni între molecule ultrareci controlate de fizicieni

O modalitate de a ciocni moleculele ultrareci în timp ce se controlează viteza cu care acestea reacţionează a fost dezvoltată de fizicienii de la Massachusetts Institute of Technology (MIT) din SUA. Cercetătorii de la Institutul Max Planck pentru Optică Cuantică din Germania au făcut o descoperire similară folosind o tehnică experimentală diferită. Cercetarea lor deschide noi căi pentru un control îmbunătățit al reacțiilor chimice.

Reacțiile chimice sunt extrem de complexe, cu un număr mare de atomi și molecule care se ciocnesc între ele în timp ce sunt conduse de forțe cinetice. Această complexitate face foarte dificilă concentrarea asupra reacțiilor la nivel atomic și molecular.

Pentru a rezolva această problemă de complexitate, cercetătorii pot răci atomii și moleculele la temperaturi microkelvin pentru a limita posibilele stări cuantice în care se pot afla reactanții. Reacțiile care implică acești atomi și molecule ultrareci pot fi apoi controlate parțial folosind lasere sau câmpuri magnetice, oferind informații importante despre procese chimice.

O provocare în studierea moleculelor ultrareci este că au stări cuantice rotaționale și vibraționale. Acest lucru face ca moleculele să fie mult mai dificil de controlat decât atomii, iar acest lucru a împiedicat experimentele ultrareci să depășească reacțiile simple atom-atom și atom-moleculă.

rezonanțe Feshbach

Acum, o echipă de la MIT condusă de laureatul Nobel Wolfgang Ketterle a dezvoltat un nou mod de control al moleculelor ultrareci. Tehnica folosește rezonanțe Feshbach, care apar atunci când doi atomi sau molecule care se ciocnesc formează pentru scurt timp o stare legată. Rezonanțe Feshbach sunt utilizate pe scară largă în studiul gazelor ultrareci, deoarece pot fi folosite pentru a regla fin interacțiunile dintre atomi.

Aplicarea rezonanțelor Feshbach la atomii ultrareci a fost pionierat de către Ketterle în 1998, când a făcut prima observație vreodată a fenomenului în atomii de sodiu ultrareci. De atunci, cercetătorii au căutat rezonanțe similare în ciocnirile care implică atât atomi, cât și molecule. Anul trecut, Ketterle și colegii au folosit rezonanțe Feshbach pentru a crea reacții care implică atomi de sodiu și molecule de sodiu-litiu. Ei au descoperit că efectele de interferență cuantică legate de sărituri multiple între particulele care se ciocnesc pot fi constructive sau distructive. Acest lucru fie îmbunătățește, fie suprimă reacțiile cu factori de aproximativ 100.

Acum, cercetătorii de la MIT au descoperit o rezonanță Feshbach în ciocnirile dintre perechi de molecule de sodiu-litiu ultrareci. Are loc într-un interval foarte îngust al câmpului magnetic aplicat. Când cercetătorii au analizat un câmp magnetic de peste 1000 G, au descoperit o viteză de reacție crescută între molecule într-o fereastră îngustă de 25 mG. Echipa a ajuns la concluzia că rezonanța Feshbach a încurajat moleculele să se mute într-un complex intermediar relativ lung, care, la rândul său, a crescut numărul de reacții moleculare de până la 100 de ori.

Surpriza mare

O analiză ulterioară a noilor date a dat o descoperire surprinzătoare. Tocmai la rezonanță, două stări ale moleculei au exact aceeași energie și, prin urmare, ambele pot lua parte la ciocnire. Chiar dacă rezultatul a fost neașteptat, Ketterle subliniază că sodiu-litiu este cea mai ușoară moleculă ultrarece studiată. Ca rezultat, are cea mai mică densitate de stări și, prin urmare, este foarte probabil ca molecula să aibă o stare izolată care este de lungă durată.

Pentru a înțelege observațiile lor, echipa a dezvoltat un model care descrie rezonanța cauzată de câmpul magnetic și dezintegrarea complexului intermediar într-un canal deschis care provoacă dispariția moleculei.

Modelul lor este analog cu lumina care rezonează într-o cavitate Fabry-Perot - un dispozitiv care cuprinde două oglinzi subțiri care vor transmite lumina la o anumită lungime de undă rezonantă. Durata de viață a complexului intermediar este analogă timpului dus-întors pe care un foton îl petrece în interiorul unei cavități rezonante.

În timp ce acest model explică rezultatele, rămân câteva întrebări deschise. De exemplu, ar fi util să știm dacă aceste rezonanțe înguste sunt unice pentru moleculele cu atomi mici - molecule care au o densitate mai mică de stări. De asemenea, ar fi interesant să se exploreze dacă alte valori ale câmpului magnetic creează complexe cu viață lungă. Fără îndoială, aceste întrebări vor stârni un val de entuziasm în domeniul chimiei ultrarece și ar putea duce la noi aplicații și perspective fizice.

În control

Ketterle crede că cercetarea se va dovedi a fi importantă pentru știința cuantică, chimia fizică și chimia. Dar el recunoaște că trebuie făcută mai multă muncă și că fără o înțelegere completă a rezonanței este dificil să se facă predicții pentru alte molecule. Cu toate acestea, el spune că observația echipei sale a făcut mai probabil ca rezonanțe și complexe de coliziune cu viață lungă să existe în alte molecule.

Fizicienii se apropie de o cale mai simplă către moleculele degenerate cuantice

„Domeniul progresează în prezent către controlul la nivel cuantic asupra sistemelor din ce în ce mai complexe. Munca noastră este un pas pentru a obține controlul cuantic asupra coliziunilor și reacțiilor moleculare și pentru a mapa mai larg proprietățile de coliziune ale acestor molecule cu scopul de a găsi o înțelegere mai profundă”, spune el. Lumea fizicii.

Bo Zhao de la Universitatea de Știință și Tehnologie din China laudă descoperirea echipei a unei rezonanțe Feshbach reglabile magnetic între moleculele diatomice ultrareci, adăugând că lucrarea este un progres important în moleculele ultrareci și chimia ultrarece. El afirmă că rezonanța Feshbach între molecule ar putea duce la multe noi posibilități de cercetare, inclusiv studiul gazelor moleculare care interacționează puternic.

Cercetarea este descrisă în Natură. În același număr al revistei, Xin-Yu Luo și colegii de la Institutul Max Planck pentru Optică Cuantică din Germania descrie o schemă similară pentru controlul vitezei de reacție a articolelor ultrareci de sodiu-potasiu. În această cercetare, echipa a folosit radiații oscilante cu microunde pentru a crea rezonanța.

• Distribuție de conținut bazat pe SEO și PR. Amplifică-te astăzi.
• Platoblockchain. Web3 Metaverse Intelligence. Cunoștințe amplificate. Accesați Aici.
• Sursa: https://physicsworld.com/a/interactions-between-ultracold-molecules-controlled-by-physicists/