Иллюстрация: Hyungmok Son et al. / Science. Физики осуществили управление скоростью химической реакции между ультрахолодными молекулами и простыми атомами посредством воздействия магнитного поля. Данный эффект основан на очень точной настройке резонанса Фешбаха, возникающего вследствие мощной интерференции волновой функции Фабри-Перо в ван-дер-ваальсовом потенциале. Результаты исследования опубликованы в журнале Science. Охлаждение атомов до сверхнизких температур открыло новые уникальные возможности для развития ультрахолодной химии. Уменьшение кинетической энергии захваченных в ловушки атомов и молекул позволило осуществлять точный контроль над химическими реакциями, некоторые из которых были бы невозможны при обычных температурах. На сегодняшний день рекордно низкая температура, при которой была реализована химическая реакция, составляет 500 нанокельвинов. Ученые активно исследуют вопрос о возможности воздействия на скорость таких химических реакций.
В первую очередь их интересует распад таких молекул, поскольку их сохранение имеет практическое значение для эффективности экспериментов ультрахолодной химии. Сегодня физики уже умеют защищать молекулы с помощью электрических полей и микроволнового излучения, но поиск новых физических принципов, которые могли бы повлиять на скорость химических реакций в ультрахолодных условиях продолжается.
Физики из Канады, Нидерландов и США под руководством Вольфганга Кеттерле (Wolfgang Ketterle) из Массачусетского технологического института сообщили, что им удалось реализовать новый способ управления вероятностью распада молекулы, основанный на квантовой интерференции Фабри — Перо налетающего на нее атома в ван-дер-ваальсовом потенциале. Кеттерле был одним из физиков, впервые получивших конденсат Бозе-Эйнштейна в разреженных газах атомов щелочных металлов за что в 2001 году он был удостоен Нобелевской премии.
С тех пор его группа исследовала множество интересных явлений, происходящих в ультрахолодных газах, таких как конденсат с фрактальной энергией, сверхтекучесть в твердом теле, подавления рассеяния света, вызванного блокировкой Паули, а также уже упомянутое экранирование молекул с помощью микроволн.
В новом исследовании физики использовали свои наработки, чтобы изучать реактивное рассеяние атомов 23Na на молекулах 23Na6Li. Частицы обоих типов электрически нейтральны. Тем не менее между ними возникают слабые ван-дер-ваальсовы взаимодействия, которые включают в себя притяжение на больших расстояниях и отталкивание на коротких. Это можно описать в виде зависимости энергии взаимодействия от расстояния, которая имеет вид большой ямы.
Атом, попавший в эту яму, может какое-то время провести в перемещении по ней, отражаясь от ее стенок. С точки зрения волновых свойств материи яма представляет собой резонатор Фабри — Перо, в котором волны могут либо усиливаться, либо ослабляться за счет интерференции, в зависимости от их длины волны (а значит и энергии). Формируемый таким путем резонанс называют также резонансом Фешбаха. Он чувствителен к магнитному полю благодаря эффекту Зеемана.
Резонанс Фешбаха как интерференция Фабри-Перо волновой функции частицы (зеленый цвет) на ван-дер-ваальсовом потенциале (фиолетовый цвет). Hyungmok Son et al. / Science
Чтобы научиться управлять скоростью неупругого взаимодействия между частицами, авторы смешивали 300 тысяч атомов натрия с 30 тысячами натрий-литиевых молекул при температуре 1,5 микрокельвин в одномерной оптической решетке. Спины всех ядер и электронов в реагентах были ориентированы по магнитному полю, начальное значение которого на каждом шаге протокола было равным 745 гауссам. Физики за 15 миллисекунд доводили поле до нужной величины, удерживали смесь в таком состоянии, после чего возвращали его к прежнему значению и регистрировали продукты реакции методом резонансно-абсорбционной визуализации сверхтонких натриевых состояний, которые отличаются у прореагировавших и непрореагировавших атомов.
В результате ученые обнаружили, что зависимость скорости распада молекул от величины магнитного поля имеет ярко выраженный максимум в 980 гаусс. На пике скорость распада примерно в пять раз превышает универсальный предел, который соответствует ситуации, когда прореагировали все реагенты, которые приблизились на достаточно короткое для реакции расстояние, и почти достигает унитарного предела, то есть максимально возможного предела реакции, ограниченного законами физики. Полученная зависимость хорошо аппроксимировалась с помощью модели, основанной на интерференции Фабри — Перо.
Зависимость скорости потерь от приложенного магнитного поля. Черная штрихованная линия – универсальный предел, красная пунктирная линия – унитарный предел. Красной линией обозначена аппроксимация симметричным лоренцевым контуром, синей линией – аппроксимация асимметричным контуром, выведенным из модели. Зеленые и черные точки получены вычитанием аналогичных резонансов на 880 и 1030 гауссах, соответственно. Во врезе отражена зависимость оставшегося числа молекул от времени удержания в различных магнитных полях. Hyungmok Son et al. / Science
Физики активно исследуют альтернативные способы управления химическими связями. Мы уже рассказывали, как для этого предлагается использовать атомно-силовой микроскоп и фотонные кристаллы.
Автор: Марат Хамадеев
Источник: https://nplus1.ru/
