Главная » Все новости » Электрическая ручка регулирует скорость химических реакций в квантовом газе
Электрическая ручка регулирует скорость химических реакций в квантовом газе
Электрическая ручка регулирует скорость химических реакций в квантовом газе

Электрическая ручка регулирует скорость химических реакций в квантовом газе

Основываясь на своей недавно обретенной способности побуждать молекулы в ультрахолодных газах взаимодействовать друг с другом на больших расстояниях, исследователи JILA использовали электрическую «ручку», чтобы влиять на столкновения молекул и резко повышать или понижать скорость химических реакций.

Эти сверххолодные газы следуют, казалось бы, нелогичным правилам квантовой механики, показывая точные единицы или кванты энергии и часто экзотические движения. Таким образом, способность контролировать химические реакции в стабильных квантовых газах может позволить разработать новые химические вещества и газы, новые платформы для квантовых компьютеров, использующие молекулы в качестве богатых информацией кубитов (квантовых битов), а также новые инструменты для точных измерений, такие как молекулярные часы.

Прогресс описан в выпуске журнала Science от 11 декабря. JILA совместно управляется Национальным институтом стандартов и технологий (NIST) и Университетом Колорадо в Боулдере.

«Столкновения молекул в нашем эксперименте очень квантово-механические, их траектории квантованы в зависимости от того, как они могут сближаться», — сказал сотрудник NIST / JILA Джун Йе. «Это сильно отличается от теплого газа, в котором молекулы могут беспорядочно сближаться».

Новая работа является продолжением многих предыдущих достижений Йе с ультрахолодными квантовыми газами. В частности, этот прогресс основан на упрощенной схеме JILA по подталкиванию молекулярных газов к их самому низкому энергетическому состоянию, называемому квантовым вырождением, при котором молекулы начинают действовать как перекрывающиеся волны, которые все взаимодействуют.

Последние эксперименты JILA создали плотный газ из десятков тысяч молекул калия-рубидия в шестиэлектродном узле, который исследователи использовали для генерации регулируемого электрического поля. По словам Йе, молекулы были заключены в стопку лазерных ловушек в форме блинов, называемых оптической решеткой, но могли свободно сталкиваться внутри каждого блина, как люди, катающиеся на коньках на катке.

Столкновения между молекулами часто приводят к химическим реакциям, которые быстро истощают газ. Однако команда JILA обнаружила, что молекулы можно «защитить» от этих химических реакций, повернув простую ручку — силы электрического поля. Экранирование происходит из-за электрического поля, изменяющего вращения и взаимодействия молекул.

Молекулы отталкиваются друг от друга, потому что они фермионы, класс частиц, которые не могут находиться в одном и том же квантовом состоянии и местоположении в одно и то же время. Но молекулы могут взаимодействовать, потому что они полярны, с положительным электрическим зарядом у атома рубидия и отрицательным зарядом у атома калия. Противоположные заряды создают электрические дипольные моменты, чувствительные к электрическим полям. Когда молекулы сталкиваются головой к хвосту с противоположными зарядами, химические реакции быстро истощают газ. Когда молекулы сталкиваются бок о бок, они отталкиваются друг от друга.

Команда JILA начала с приготовления газа, в котором каждая молекула вращалась с ровно одной квантовой единицей вращения. Таким образом, каждая молекула действовала как крошечный квантовый волчок, вращающийся вокруг своей оси, имея только определенные значения углового момента (или скорости вращения), разрешенные квантовой механикой. Изменяя электрическое поле, исследователи обнаружили особые поля («резонансы»), в которых две сталкивающиеся вращающиеся молекулы могли обмениваться вращениями, в результате чего одна молекула вращалась в два раза быстрее, а другая не вращалась вообще.

Способность обмениваться вращениями полностью изменила характер столкновений, в результате чего силы между сталкивающимися молекулами быстро изменились с притяжения на отталкивающие вблизи резонансов. Когда взаимодействия между молекулами были отталкивающими, молекулы были защищены от потерь, поскольку они редко подходили достаточно близко, чтобы вступить в химическую реакцию. Когда взаимодействия были привлекательными, скорость химической реакции резко возрастала.

Вблизи резонансов команда JILA наблюдала почти тысячекратное изменение скорости химической реакции при настройке напряженности электрического поля всего на несколько процентов. Благодаря самой сильной защите скорость химической реакции была снижена до одной десятой от нормального фонового значения, создавая стабильный долгоживущий газ.

Это первая демонстрация использования электрического поля для резонансного управления взаимодействием молекул друг с другом. Результаты экспериментов согласились с теоретическими предсказаниями. Исследователи JILA ожидают, что их методы останутся эффективными без оптической решетки, что упростит будущие усилия по созданию молекулярных газов из других типов атомов.

Сотрудник из Университета Париж-Сакле, Орсе, Франция, провел теоретические расчеты. Финансирование было предоставлено NIST, Агентством перспективных оборонных исследовательских проектов, Управлением армейских исследований и Национальным научным фондом.

Основываясь на своей недавно обретенной способности побуждать молекулы в ультрахолодных газах взаимодействовать друг с другом на больших расстояниях, исследователи JILA использовали электрическую «ручку», чтобы влиять на столкновения молекул и резко повышать или понижать скорость химических реакций.

Понравилась запись? Поделись с другом!!!