Teams elektriske knop indstiller kemiske reaktionshastigheder i kvantegas

Bygger på deres nyfundne evne til at få molekyler i ultrakølede gasser til at interagere med hinanden over lange afstande, JILA -forskere har brugt en elektrisk "knop" til at påvirke molekylære kollisioner og dramatisk øge eller sænke kemiske reaktionshastigheder.

Disse superkølige gasser følger de tilsyneladende kontraintuitive regler for kvantemekanik, med præcise enheder, eller quanta, af energi og ofte eksotiske bevægelser. Dermed, evnen til at kontrollere kemiske reaktioner i stabile kvantegasser kunne muliggøre design af nye kemikalier og gasser, nye platforme til kvantecomputere, der bruger molekyler som informationsrige qubits (kvantebits), og nye værktøjer til præcisionsmåling såsom molekylære ure.

Forskuddet er beskrevet i udgaven af ​​11. december af Videnskab . JILA drives i fællesskab af National Institute of Standards and Technology (NIST) og University of Colorado Boulder.

"De molekylære kollisioner i vores eksperiment er meget kvantemekaniske, med deres baner alle kvantificeret i form af den måde, hvorpå de kan nærme sig hinanden, "NIST/JILA Fellow Jun Ye sagde." Dette er meget forskelligt fra en varm gas, hvor molekyler kan nærme sig tilfældigt hinanden. "

Det nye arbejde følger op på Yes mange tidligere præstationer med ultrakølede kvantegasser. I særdeleshed, forskuddet bygger på JILAs forenklede ordning for at rykke molekylære gasser ned til deres laveste energitilstand, kaldet kvante degeneration hvor molekylerne begynder at virke som overlappende bølger, der alle interagerer.

De seneste JILA-eksperimenter skabte en tæt gas af titusinder af kalium-rubidiummolekyler inden for en seks-elektrode-samling, som forskere plejede at generere et afstemeligt elektrisk felt. Molekylerne var begrænset i en stak pandekageformede laserfælder kaldet et optisk gitter, men var fri til at kollidere inden for hver pandekage, som folk, der skøjter på en skøjtebane, Sagde du.

Kollisioner mellem molekyler resulterer ofte i kemiske reaktioner, der hurtigt nedbryder gassen. Imidlertid, JILA -teamet fandt ud af, at molekyler kunne "afskærmes" fra disse kemiske reaktioner ved at dreje på en simpel knap - styrken af ​​det elektriske felt. Beskyttelsen skyldes, at det elektriske felt ændrer molekylernes rotationer og interaktioner.

Molekylerne afviser hinanden, fordi de er fermioner, en klasse af partikler, der ikke kan være i samme kvantetilstand og sted på samme tid. Men molekylerne kan interagere, fordi de er polære, med en positiv elektrisk ladning ved rubidiumatomet og en negativ ladning ved kaliumatomet. De modsatte ladninger skaber elektriske dipolmomenter, der er følsomme over for elektriske felter. Når molekylerne kolliderer fra hoved til hale, med modsatrettede anklager, kemiske reaktioner hurtigt nedbryder gassen. Når molekylerne kolliderer side om side, de afviser hinanden.

JILA -teamet startede med at forberede en gas, hvor hvert molekyle drejede med præcis en kvanteenhed. Dermed, hvert molekyle virkede som en lille kvantetop, drejer rundt om sin akse, med kun visse værdier af vinkelmoment (eller rotationshastigheder) tilladt af kvantemekanik. Ved at ændre det elektriske felt, forskerne fandt særlige felter ("resonanser"), hvor to kolliderede, roterende molekyler kan udveksle deres rotationer, lad det ene molekyle dreje dobbelt så hurtigt og det andet ikke rotere overhovedet.

Evnen til at udveksle rotationer fuldstændigt ændrede kollisionernes art, får kræfterne mellem kolliderende molekyler til hurtigt at ændre sig fra attraktive til frastødende nær resonanserne. Når interaktionerne mellem molekyler var frastødende, molekylerne blev beskyttet mod tab, da de sjældent kom tæt nok på til kemisk reaktion. Når interaktionerne var attraktive, den kemiske reaktionshastighed blev dramatisk forbedret.

I nærheden af ​​resonanserne, JILA -teamet observerede næsten en tusind gange ændring i den kemiske reaktionshastighed, når den elektriske feltstyrke blev justeret med kun et par procent. Med den stærkeste afskærmning, den kemiske reaktionshastighed blev reduceret til en tiendedel af den normale baggrundsværdi, skabe en stabil, lang levetid gas.

Dette er den første demonstration af brugen af ​​et elektrisk felt til resonant at kontrollere, hvordan molekyler interagerer med hinanden. De eksperimentelle resultater stemte overens med teoretiske forudsigelser. JILA -forskere forventer, at deres teknikker forbliver effektive uden det optiske gitter, hvilket vil forenkle fremtidige bestræbelser på at skabe molekylære gasser fremstillet af andre typer atomer.