Tương tác giữa các phân tử cực lạnh được kiểm soát bởi các nhà vật lý

Các nhà vật lý tại Viện Công nghệ Massachusetts (MIT) ở Mỹ đã phát triển một phương pháp cho các phân tử cực lạnh va chạm đồng thời kiểm soát tốc độ phản ứng của chúng. Các nhà nghiên cứu tại Viện Quang học lượng tử Max Planck của Đức đã thực hiện một khám phá tương tự bằng cách sử dụng một kỹ thuật thí nghiệm khác. Nghiên cứu của họ mở ra những con đường mới để tăng cường kiểm soát các phản ứng hóa học.

Các phản ứng hóa học vô cùng phức tạp, với số lượng lớn các nguyên tử và phân tử va chạm với nhau trong khi chịu tác động của các lực động học. Sự phức tạp này gây khó khăn cho việc tập trung vào các phản ứng ở cấp độ nguyên tử và phân tử.

Để giải quyết vấn đề phức tạp này, các nhà nghiên cứu có thể làm lạnh các nguyên tử và phân tử đến nhiệt độ microkelvin để hạn chế các trạng thái lượng tử có thể có của các chất phản ứng. Các phản ứng liên quan đến các nguyên tử và phân tử cực lạnh này sau đó có thể được kiểm soát một phần bằng laser hoặc từ trường, cung cấp thông tin quan trọng về quá trình hóa học.

Một thách thức trong việc nghiên cứu các phân tử cực lạnh là chúng có các trạng thái lượng tử quay và dao động. Điều này làm cho các phân tử khó kiểm soát hơn nhiều so với các nguyên tử, và điều này đã ngăn cản các thí nghiệm siêu lạnh tiến xa hơn các phản ứng nguyên tử-nguyên tử và nguyên tử-phân tử đơn giản.

Cộng hưởng Feshbach

Bây giờ, một nhóm tại MIT do người đoạt giải Nobel dẫn đầu ấm đun nước Wolfgang đã phát triển một phương pháp mới để kiểm soát các phân tử cực lạnh. Kỹ thuật này sử dụng cộng hưởng Feshbach, xảy ra khi hai nguyên tử hoặc phân tử va chạm trong thời gian ngắn tạo thành trạng thái liên kết. Cộng hưởng Feshbach được sử dụng rộng rãi trong nghiên cứu về khí cực lạnh vì chúng có thể được sử dụng để tinh chỉnh tương tác giữa các nguyên tử.

Việc áp dụng cộng hưởng Feshbach cho các nguyên tử cực lạnh đã được Ketterle tiên phong vào năm 1998, khi ông thực hiện quan sát đầu tiên về hiện tượng trong các nguyên tử natri cực lạnh. Kể từ đó, các nhà nghiên cứu đã tìm kiếm các cộng hưởng tương tự trong các vụ va chạm liên quan đến cả nguyên tử và phân tử. Năm ngoái, Ketterle và các đồng nghiệp đã sử dụng cộng hưởng Feshbach để tạo ra phản ứng liên quan đến nguyên tử natri và phân tử natri-lithium. Họ phát hiện ra rằng các hiệu ứng giao thoa lượng tử liên quan đến nhiều lần nảy lên giữa các hạt va chạm có thể mang tính xây dựng hoặc phá hoại. Điều này có thể tăng cường hoặc ngăn chặn các phản ứng theo hệ số khoảng 100.

Giờ đây, các nhà nghiên cứu của MIT đã tìm thấy sự cộng hưởng Feshbach trong các va chạm giữa các cặp phân tử natri-lithium cực lạnh. Nó xảy ra trong một phạm vi rất hẹp của từ trường ứng dụng. Khi các nhà nghiên cứu xem xét phạm vi từ trường hơn 1000 G, họ nhận thấy tốc độ phản ứng tăng lên giữa các phân tử trong một cửa sổ hẹp 25 mG. Nhóm nghiên cứu kết luận rằng cộng hưởng Feshbach đã khuyến khích các phân tử di chuyển vào một phức hợp trung gian tồn tại tương đối lâu, từ đó làm tăng số lượng phản ứng phân tử lên tới 100 lần.

Bất ngờ lớn

Phân tích sâu hơn về dữ liệu mới mang lại một khám phá đáng ngạc nhiên. Chính tại điểm cộng hưởng, hai trạng thái của phân tử có năng lượng chính xác như nhau và do đó cả hai đều có thể tham gia va chạm. Mặc dù kết quả thật bất ngờ, Ketterle chỉ ra rằng natri–lithium là phân tử cực lạnh nhẹ nhất đang được nghiên cứu. Kết quả là, nó có mật độ trạng thái nhỏ nhất và do đó rất có khả năng phân tử này có trạng thái cô lập tồn tại lâu dài.

Để hiểu được những quan sát của họ, nhóm nghiên cứu đã phát triển một mô hình mô tả sự cộng hưởng do từ trường gây ra và sự phân rã của phức chất trung gian thành một kênh mở khiến phân tử biến mất.

Mô hình của họ tương tự như ánh sáng cộng hưởng trong khoang Fabry-Perot – một dụng cụ bao gồm hai gương mỏng sẽ truyền ánh sáng ở một bước sóng cộng hưởng cụ thể. Thời gian tồn tại của phức hợp trung gian tương tự như thời gian khứ hồi mà một photon trải qua bên trong khoang cộng hưởng.

Trong khi mô hình này giải thích kết quả, vẫn còn một số câu hỏi mở. Ví dụ, sẽ rất hữu ích nếu biết liệu những cộng hưởng hẹp này có phải là duy nhất đối với các phân tử có nguyên tử nhỏ hay không – những phân tử có mật độ trạng thái thấp hơn. Cũng sẽ rất thú vị khi khám phá xem liệu các giá trị từ trường khác có tạo ra các phức chất tồn tại lâu dài hay không. Không còn nghi ngờ gì nữa, những câu hỏi này sẽ khơi dậy một làn sóng phấn khích trong lĩnh vực hóa học cực lạnh và có thể dẫn đến những ứng dụng và hiểu biết vật lý mới.

Trong kiểm soát

Ketterle tin rằng nghiên cứu sẽ chứng tỏ tầm quan trọng đối với khoa học lượng tử, hóa lý và hóa học. Nhưng ông thừa nhận rằng cần phải làm nhiều việc hơn nữa và nếu không có sự hiểu biết đầy đủ về sự cộng hưởng thì rất khó để đưa ra dự đoán cho các phân tử khác. Tuy nhiên, ông nói rằng quan sát của nhóm ông cho thấy nhiều khả năng là các cộng hưởng và các phức hợp va chạm tồn tại lâu dài tồn tại trong các phân tử khác.

Các nhà vật lý tiến gần đến con đường đơn giản hơn tới các phân tử suy biến lượng tử

“Lĩnh vực này hiện đang tiến triển theo hướng kiểm soát ở cấp độ lượng tử đối với các hệ thống ngày càng phức tạp hơn. Công việc của chúng tôi là một bước để đạt được sự kiểm soát lượng tử đối với các phản ứng và va chạm phân tử, đồng thời vạch ra một cách rộng rãi hơn các đặc tính va chạm của các phân tử này với mục tiêu tìm kiếm sự hiểu biết sâu sắc hơn”, ông nói. Thế giới vật lý.

Bạc Chiêu từ Đại học Khoa học và Công nghệ Trung Quốc ca ngợi phát hiện của nhóm về sự cộng hưởng Feshbach có thể điều chỉnh từ tính giữa các phân tử hai nguyên tử ở trạng thái cơ bản cực lạnh, đồng thời nói thêm rằng công trình này là một bước tiến quan trọng trong các phân tử cực lạnh và hóa học cực lạnh. Ông tuyên bố rằng cộng hưởng Feshbach giữa các phân tử có thể dẫn đến nhiều khả năng nghiên cứu mới, bao gồm nghiên cứu về các khí phân tử tương tác mạnh.

Nghiên cứu được mô tả trong Thiên nhiên. Trong cùng một số tạp chí, Xin-Yu Luo và các đồng nghiệp tại Viện Quang lượng tử Max Planck của Đức mô tả sơ đồ tương tự để kiểm soát tốc độ phản ứng của các sản phẩm natri-kali cực lạnh. Trong nghiên cứu này, nhóm đã sử dụng bức xạ vi sóng dao động để tạo ra cộng hưởng.

• Phân phối nội dung và PR được hỗ trợ bởi SEO. Được khuếch đại ngay hôm nay.
• Platoblockchain. Web3 Metaverse Intelligence. Khuếch đại kiến ​​thức. Truy cập Tại đây.
• nguồn: https://physicsworld.com/a/interactions-between-ultracold-molecules-controlled-by-physicists/