Ultrakoldt mysterium løst:Forskere knækker en molekylær forsvindende handling

I en berømt lignelse, tre blinde mænd støder på en elefant for første gang. Hver rører en del - bagagerummet, øre, eller side - og konkluderer, at væsenet er en tyk slange, ventilator, eller væg. Denne elefant, sagde Kang-Kuen Ni, er ligesom kvanteverdenen. Forskere kan kun udforske en celle af denne enorme, ukendt væsen ad gangen. Nu, Ni har afsløret et par flere at udforske.

Det hele startede i december sidste år, da hun og hendes team færdiggjorde et nyt apparat, der kunne opnå de laveste temperatur kemiske reaktioner af enhver tilgængelig teknologi og derefter brød og dannede de koldeste bindinger i historien om molekylær kobling. Men deres ultrakølede reaktioner bremsede også uventet reaktionen på en træg hastighed, give forskerne et realtids glimt af, hvad der sker under en kemisk transformation. Nu, selvom reaktioner betragtes som for hurtige til at måle, Ni bestemte ikke kun reaktionens levetid, hun løste et ultrakoldt mysterium i processen.

Med ultrakold kemi, Ni, Morris Kahn lektor i kemi og kemisk biologi og fysik, og hendes team afkølet to kalium-rubidium-molekyler til lige over det absolutte nul og fandt "mellemproduktet, "det rum, hvor reaktanter omdannes til produkter, levede i omkring 360 nanosekunder (stadig milliarder af et sekund, men længe nok). "Det er ikke reaktanten. Det er ikke produktet. Det er noget imellem, "Sagde Ni. Da jeg så den transformation, som at røre ved siden af ​​en elefant, kan fortælle hende noget nyt om, hvordan molekyler, grundlaget for alt, arbejde.

Men de så ikke bare på.

"Denne ting lever så længe, ​​at nu kan vi faktisk rode rundt med det ... med lys, "sagde Yu Liu, en kandidatstuderende på Graduate School of Arts and Sciences og første forfatter på deres undersøgelse offentliggjort i Naturfysik . "Typiske komplekser, som dem i en stuetemperaturreaktion, du ikke ville kunne gøre meget med, fordi de dissocierer sig til produkter så hurtigt. "

Ligesom Star Trek traktorbjælker, lasere kan fange og manipulere molekyler. I ultrakold fysik, dette er go-to-metoden til at fange og kontrollere atomer, observere dem i deres kvantegrundstilstand eller tvinge dem til at reagere. Men da forskere flyttede fra at manipulere atomer til at rode med molekyler, der skete noget mærkeligt:​​molekyler begyndte at forsvinde fra synet.

"De forberedte disse molekyler, i håb om at realisere mange af de applikationer, de lover - at bygge kvantecomputere, for eksempel - men i stedet er det tab, "Sagde Liu.

Alkaliske atomer, ligesom kalium og rubidium Ni og hendes teamstudie, er lette at køle ned i det ultracoldt rige. I 1997, forskere vandt en nobelpris i fysik for at køle og fange alkali -atomer i laserlys. Men molekyler er mere fantastiske end atomer:De er ikke bare en sfærisk ting, der sidder der, sagde Liu, de kan rotere og vibrere. Når de er fanget sammen i laserlyset, gasmolekylerne støder mod hinanden som forventet, men nogle forsvandt simpelthen.

Forskere spekulerede på, at det molekylære tab skyldtes reaktioner - to molekyler stødte sammen og, i stedet for at gå i forskellige retninger, de forvandlede sig til nye arter. Men hvordan?

"Det, vi fandt i dette papir, svarer på det spørgsmål, "Sagde Liu." Det, du bruger til at begrænse molekylet, er at dræbe molekylet. "Med andre ord, det er lysets skyld.

Da Liu og Ni brugte lasere til at manipulere det mellemliggende kompleks - midt i deres kemiske reaktion - opdagede de, at lyset tvang molekylerne fra deres typiske reaktionssti og ind i en ny. Et par molekyler, hænger sammen som et mellemkompleks, kan blive "foto-begejstrede" i stedet for at følge deres traditionelle vej, Sagde Liu. Alkalimolekyler er særligt modtagelige på grund af, hvor længe de lever i deres mellemliggende kompleks.

"I bund og grund, hvis du vil eliminere tab, "Sagde Liu, "du er nødt til at slukke lyset. Du er nødt til at finde en anden måde at fange disse ting på." Magneter, for eksempel, eller elektriske felter kan fange molekyler, også. "Men disse er alle teknisk krævende, "sagde Liu. Lys er bare enklere.

Næste, Ni vil se, hvor disse komplekser går hen, når de forsvinder. Visse lysbølgelængder (som det infrarøde team, der plejede at ophidse deres kalium-rubidiummolekyler) kan skabe forskellige reaktionsveje-men ingen ved, hvilke bølgelængder, der sender molekyler ind i hvilke nye formationer.

De planlægger også at undersøge, hvordan komplekset ser ud på forskellige stadier af transformation. "For at undersøge dens struktur, "Sagde Liu, "vi kan variere lysets frekvens og se, hvordan excitationsgraden varierer. Derfra, vi kan finde ud af, hvor energiniveauet for denne ting er, som informerer om sin kvantemekaniske konstruktion. "

"Vi håber, at dette vil fungere som et modelsystem, "Ni sagde, et eksempel på, hvordan forskere kan udforske andre lavtemperaturreaktioner, der ikke involverer kalium og rubidium.

"Denne reaktion er, ligesom mange andre kemiske reaktioner, et slags univers i sig selv, "sagde Liu. For hver ny observation, holdet afslører et lille stykke af den gigantiske kvanteelefant. Da der er et uendeligt antal kemiske reaktioner i det kendte univers, der er stadig lang, lang vej at gå.