Simulering afslører universel signatur af kaos i ultrakølede reaktioner

Forskere har udført den første nogensinde kvantemekaniske simulering af benchmark ultrakold kemisk reaktion mellem kalium-rubidium (KRb) og et kaliumatom, åbning af døren til nye kontrollerede kemi -eksperimenter og kvantestyring af kemiske reaktioner, der kan udløse fremskridt inden for kvanteberegning og sansningsteknologier. Undersøgelsen fra et multiinstitutionelt team simulerede den ultrakølede kemiske reaktion, med resultater, der ikke var blevet afsløret i forsøg.

"Vi fandt ud af, at den samlede reaktivitet stort set er ufølsom over for den underliggende kaotiske dynamik i systemet, "sagde Brian Kendrick fra Los Alamos National Laboratory's Theoretical Division, "Denne observation har vigtige konsekvenser for udviklingen af ​​kontrolleret kemi og for de teknologiske anvendelser af ultrakølede molekyler fra præcisionsmåling til kvanteberegning."

Forskningen behandlede åbne spørgsmål om, hvorvidt kemiske reaktioner forekommer ved en milliarddel af en grad over det absolutte nul, og om resultatet kan kontrolleres. Forskere verden over behandler disse spørgsmål eksperimentelt ved at afkøle og fange atomer og molekyler ved temperaturer tæt på absolut nul og lade dem interagere kemisk. Dette kemi felt, bredt omtalt som ultrakold kemi, er blevet et arnested for kontrollerede kemi -eksperimenter og kvantekontrol af kemiske reaktioner, kemiens hellige gral.

I et pionereksperiment i 2010, grupper ved Colorado's JILA (tidligere kendt som Joint Institute for Laboratory Astrophysics) var i stand til at producere en ultrakold gas af KRb-molekyler ved nano-Kelvin-temperaturer. Ved blot at vende et nukleare spin i et KRb-molekyle demonstrerede de, at den ultrakølede reaktion mellem disse molekyler kunne slås til eller fra-en perfekt illustration af kontrolleret on-demand-kemi.

Men teoretiske beregninger af reaktionsdynamikken for sådanne systemer udgør en skræmmende beregningsmæssig udfordring. Beregningerne af K + KRb -reaktionen giver ny indsigt i reaktionsdynamikken, der ikke afsløres i eksperimenterne - at de rotationsopløste reaktionshastigheder udviser en statistisk (Poisson) fordeling.

Et fascinerende fund af deres undersøgelse, Kendrick bemærker, er, at mens den samlede reaktivitet styres af de langdistancekræfter, rotationspopulationerne af produktets K2-molekyle styres af kaotisk dynamik på kort afstand. "Den kaotiske dynamik ser ud til at være en generel egenskab for alle ultrakølede reaktioner, der involverer tunge alkalimolekyler, "sagde Kendrick, "så rotationspopulationerne for alle sådanne reaktioner vil udvise den samme Poisson -fordeling."

Denne nye, grundlæggende forståelse af ultrakølede reaktioner vil guide relaterede teknologiske applikationer inden for kvantestyring/computing, præcisionsmåling og sansning vigtig for Los Alamos -missionerne inden for informationsvidenskab og teknologi og global sikkerhed.