Квантова інтерференція допомогла проконтролювати ультрахолодну хімічну реакцію

Фізики продемонстрували управління швидкістю хімічної реакції між ультрахолодними молекулами і атомами за допомогою магнітного поля. Ефект заснований на точному налаштуванні резонансу Фешбаха, який виникає при інтерференції Фабрі - Перо хвильової функції в ван-дер-ваальсовому потенціалі. Дослідження опубліковано в.

Охолодження атомів до наднизьких температур відкрило дорогу до створення ультрахолодної хімії. Зменшення кінетичної енергії спійманих у пастки атомів і молекул, дозволило ретельно контролювати хімічні реакції, деякі з яких не були б можливі при звичайних температурах. Рекордно холодна хімічна реакція, відома на сьогоднішній день, сталася при температурі 500 нанокельвін.

Серед іншого вчені вивчають питання про те, як можна вплинути на швидкість таких хімічних реакцій. В першу чергу їх цікавить розпад таких молекул, оскільки їх збереження має практичне значення для ефективності експериментів ультрахолодної хімії. Сьогодні фізики вже вміють захищати молекули за допомогою електричних полів і мікрохвильового випромінювання, але пошук нових фізичних принципів, які могли б вплинути на швидкість хімічних реакцій в ультрахолодних умовах триває.

Фізики з Канади, Нідерландів і США під керівництвом Вольфганга Кеттерле (Wolfgang Ketterle) з Массачусетського технологічного інституту повідомили, що їм вдалося реалізувати новий спосіб управління ймовірністю розпаду молекули, заснований на квантовій інтерференції Фабрі - Перо атома, що налітає на неї, у ван-дер-ваальсовому потенціалі. Кеттерле був одним з фізиків, які вперше отримали конденсат Бозе-Ейнштейна в розріджених газах атомів лужних металів за що в 2001 році він був удостоєний Нобелівської премії. Відтоді його група досліджувала безліч цікавих явищ, що відбуваються в ультрахолодних газах, таких як конденсат з фрактальною енергією, надплинність у твердому тілі, придушення розсіювання світла, викликаного блокуванням Паулі, а також вже згадане екранування молекул за допомогою мікрохвиль.

У новому дослідженні фізики використовували свої напрацювання, щоб вивчати реактивне розсіювання атомів ²³Na на молекулах ²³Na⁶Li. Частинки обох типів електрично нейтральні. Проте між ними виникають слабкі ван-дер-ваальсові взаємодії, які включають в себе тяжіння на великих відстанях і відштовхування на коротких. Це можна описати у вигляді залежності енергії взаємодії від відстані, яка має вигляд великої ями.

Атом, що потрапив в цю яму, може якийсь час провести в переміщенні по ній, відбиваючись від її стінок. З точки зору хвильових властивостей матерії яма являє собою резонатор Фабрі - Перо, в якому хвилі можуть або посилюватися, або послаблюватися за рахунок інтерференції, залежно від їх довжини хвилі (а значить і енергії). Формований таким шляхом резонанс називають також резонансом Фешбаха. Він чутливий до магнітного поля завдяки ефекту Зеємана.

Щоб навчитися керувати швидкістю неупругої взаємодії між частинками, автори змішували 300 тисяч атомів натрію з 30 тисячами натрій-літієвих молекул при температурі 1,5 мікрокельвін в одномірній оптичній решітці. Спини всіх ядер і електронів в реагентах були орієнтовані по магнітному полю, початкове значення якого на кожному кроці протоколу було рівним 745 гауссам. Фізики за 15 мілісекунд доводили поле до потрібної величини, утримували суміш у такому стані, після чого повертали його до колишнього значення і реєстрували продукти реакції методом резонансно-абсорбційної візуалізації надтонких натрієвих станів, які відрізняються у тих атомів, що прореагували і не реагували.

В результаті вчені виявили, що залежність швидкості розпаду молекул від величини магнітного поля має яскраво виражений максимум в 980 гаусс. На піку швидкість розпаду приблизно в п'ять разів перевищує універсальну межу, яка відповідає ситуації, коли прореагували всі реагенти, які наблизилися на досить коротку для реакції відстань, і майже досягає унітарної межі, тобто максимально можливої межі реакції, обмеженої законами фізики. Отримана залежність добре апроксимувалася за допомогою моделі, заснованої на інтерференції Фабрі - Перо.

Фізики активно досліджують альтернативні способи управління хімічними зв'язками. Ми вже розповідали, як для цього пропонується використовувати атомно-силовий мікроскоп і фотонні кристали.