Interaktioner mellan ultrakalla molekyler kontrollerade av fysiker

Ett sätt att kollidera med ultrakalla molekyler och samtidigt kontrollera hastigheten med vilken de reagerar har utvecklats av fysiker vid Massachusetts Institute of Technology (MIT) i USA. Forskare vid Tysklands Max Planck-institut för kvantoptik har gjort en liknande upptäckt med en annan experimentell teknik. Deras forskning öppnar nya vägar för förbättrad kontroll av kemiska reaktioner.

Kemiska reaktioner är oerhört komplexa, med ett stort antal atomer och molekyler som kolliderar med varandra samtidigt som de drivs av kinetiska krafter. Denna komplexitet gör det mycket svårt att fokusera på reaktioner på atomär och molekylär nivå.

För att komma runt detta komplexitetsproblem kan forskare kyla atomer och molekyler till mikrokelvintemperaturer för att begränsa de möjliga kvanttillstånd reaktanterna kan befinna sig i. Reaktioner som involverar dessa ultrakalla atomer och molekyler kan sedan delvis kontrolleras med hjälp av laser eller magnetfält, vilket ger viktig information om kemiska processer.

En utmaning i att studera ultrakalla molekyler är att de har roterande och vibrationella kvanttillstånd. Detta gör molekyler mycket svårare att kontrollera än atomer, och detta har förhindrat ultrakalla experiment från att gå bortom enkla atom-atom- och atom-molekylreaktioner.

Feshbach resonanser

Nu, ett team på MIT ledd av Nobelpristagaren Wolfgang Ketterle har utvecklat ett nytt sätt att kontrollera ultrakalla molekyler. Tekniken använder sig av Feshbach-resonanser, som uppstår när två kolliderande atomer eller molekyler kortvarigt bildar ett bundet tillstånd. Feshbach-resonanser används ofta i studien av ultrakalla gaser eftersom de kan användas för att finjustera interaktioner mellan atomer.

Att tillämpa Feshbach-resonanser på ultrakalla atomer var en pionjär av Ketterle 1998, när han gjorde den första observationen någonsin av fenomenet i ultrakalla natriumatomer. Sedan dess har forskare letat efter liknande resonanser vid kollisioner med både atomer och molekyler. Förra året, Ketterle och kollegor använde Feshbach-resonanser för att skapa reaktioner som involverar natriumatomer och natrium-litiummolekyler. De fann att kvantinterferenseffekter relaterade till flera studsar mellan kolliderande partiklar kan vara konstruktiva eller destruktiva. Detta antingen förstärker eller undertrycker reaktionerna med faktorer på cirka 100.

Nu har MIT-forskarna hittat en Feshbach-resonans vid kollisioner mellan par av ultrakalla natrium-litiummolekyler. Det inträffar inom ett mycket snävt område av det applicerade magnetfältet. När forskarna tittade över ett magnetfältsintervall på mer än 1000 G fann de en ökad reaktionshastighet mellan molekyler i ett smalt 25 mg-fönster. Teamet drog slutsatsen att Feshbach-resonansen uppmuntrade molekylerna att flytta in i ett relativt långlivat mellankomplex som i sin tur ökade antalet molekylära reaktioner upp till 100 gånger.

Stor överraskning

Ytterligare analys av de nya uppgifterna gav en överraskande upptäckt. Just vid resonansen har två tillstånd i molekylen exakt samma energi och kan därför båda delta i kollisionen. Även om resultatet var oväntat, påpekar Ketterle att natrium-litium är den lättaste ultrakalla molekylen som studeras. Som ett resultat har den den minsta densiteten av tillstånd och att det därför är mycket troligt att molekylen har ett isolerat tillstånd som är långlivat.

För att förstå sina observationer utvecklade teamet en modell som beskriver resonansen som orsakas av magnetfältet och sönderfallet av det mellanliggande komplexet till en öppen kanal som gör att molekylen försvinner.

Deras modell är analog med ljus som resonerar i en Fabry-Perot-kavitet – en enhet som består av två tunna speglar som kommer att sända ljus vid en specifik resonansvåglängd. Livslängden för det mellanliggande komplexet är analog med den tur och returtid som en foton tillbringar inuti en resonanshålighet.

Även om denna modell förklarar resultaten, finns det några öppna frågor kvar. Det skulle till exempel vara användbart att veta om dessa smala resonanser är unika för molekyler med små atomer – molekyler som har en lägre densitet av tillstånd. Det skulle också vara av intresse att undersöka om andra magnetfältsvärden skapar långlivade komplex. Utan tvekan kommer dessa frågor att utlösa en våg till spänning inom området för ultrakall kemi och kan leda till nya tillämpningar och fysiska insikter.

I kontroll

Ketterle tror att forskningen kommer att visa sig vara viktig för kvantvetenskap, fysikalisk kemi och kemi. Men han erkänner att mer arbete måste göras och att utan en fullständig förståelse för resonansen är det svårt att göra förutsägelser för andra molekyler. Han säger dock att hans teams observation har gjort det mer sannolikt att resonanser och långlivade kollisionskomplex finns i andra molekyler.

Fysiker närmar sig en enklare väg till kvantdegenererade molekyler

"Fältet går för närvarande framåt mot kontroll på kvantnivå över fler och mer komplexa system. Vårt arbete är ett steg för att uppnå kvantkontroll över molekylära kollisioner och reaktioner och att kartlägga kollisionsegenskaperna hos dessa molekyler mer brett med målet att hitta en djupare förståelse”, säger han. Fysikvärlden.

Bo Zhao från University of Science and Technology i Kina berömmer lagets upptäckt av en magnetiskt avstämbar Feshbach-resonans mellan ultrakalla grundtillståndsdiatomiska molekyler, och tillägger att arbetet är ett viktigt framsteg inom ultrakalla molekyler och ultrakall kemi. Han konstaterar att Feshbach-resonanser mellan molekyler kan leda till många nya forskningsmöjligheter, inklusive studiet av starkt interagerande molekylära gaser.

Forskningen beskrivs i Natur. I samma nummer av tidskriften, Xin-Yu Luo och kollegor vid Tysklands Max Planck Institute for Quantum Optics beskriv ett liknande schema för att kontrollera reaktionshastigheten för ultrakalla natrium-kaliumartiklar. I denna forskning använde teamet oscillerande mikrovågsstrålning för att skapa resonans.

• SEO-drivet innehåll och PR-distribution. Bli förstärkt idag.
• Platoblockchain. Web3 Metaverse Intelligence. Kunskap förstärkt. Tillgång här.
• Källa: https://physicsworld.com/a/interactions-between-ultracold-molecules-controlled-by-physicists/