Физики с помощью магнитных полей и квантовой интерференции управляют химическими реакциями

Физики из Центра ультрахолодных атомов Массачусетского технологического института и Гарвардского университета (CUA) разработали новый подход к управлению результатами химических реакций. Традиционно для этого используются температура и химические катализаторы, а в последнее время - внешние поля (электрические или магнитные поля, или лазерные лучи).

Теперь физики MIT CUA добавили к этому новый поворот: Они использовали мельчайшие изменения магнитного поля, чтобы внести тонкие изменения в квантово-механическую волновую функцию сталкивающихся частиц во время химической реакции. Они показали, как эта техника может направлять реакции в другое русло: усиливать или подавлять их.

Это стало возможным только благодаря работе при сверхнизких температурах на миллионную долю градуса выше абсолютного нуля, когда столкновения и химические реакции происходят в единичных квантовых состояниях. Их исследование было опубликовано в журнале Science 4 марта.

Исследователи MIT CUA подготовили ультрахолодное облако со смесью атомов натрия и двухатомной молекулы натрий-лития в особом квантовом состоянии, где все магнитные моменты (или спины) электронов были выровнены сильным магнитным полем.

Наличие химических реакций наблюдалось по распаду числа оставшихся молекул.  Когда исследователи изменяли магнитное поле, они обнаружили резкие изменения в скорости реактивного рассеяния таким образом, который не наблюдался ранее. Скорость реакции менялась из-за резонанса между двумя квантовыми состояниями сталкивающихся частиц, называемого резонансом Фешбаха.

Вольфганг Кеттерле, профессор физики имени Джона Д. Макартура в Массачусетском технологическом институте и руководитель группы CUA Массачусетского технологического института, объясняет: "Более 20 лет назад моя группа наблюдала первые резонансы Фешбаха в конденсатах Бозе-Эйнштейна, экстремальной, холодной форме атомной материи. Удивительно видеть, что теперь это явление можно использовать для управления химией!".

Ключевым элементом являются изменения фазы волновой функции атомов и молекул при их столкновении.  Столкновения при сверхнизкой температуре могут включать в себя множество отскоков туда и обратно. Квантовая интерференция возникает между эффектами этих столкновений, которые могут быть конструктивными или деструктивными (в зависимости от фазы волновой функции), и усиливает или подавляет реакции примерно в 100 раз.

Хёнмок Сон, бывший аспирант CUA и ведущий автор исследования, говорит, что "квантовая интерференция аналогична интерференции света в оптическом резонаторе или лазерному лучу, отражающемуся от двух зеркал". Сон смог объяснить все наблюдения с помощью нескольких простых уравнений, основанных на этой оптической аналогии. "Этот анализ дал нам микроскопическую информацию о процессе реактивного рассеяния, которую нельзя было получить просто из расчетов", - добавляет Сон.

"Сейчас мы изучаем простые системы - двухатомную молекулу и атом, потому что более крупные молекулы было бы гораздо сложнее контролировать и описывать. Долгосрочная цель нашего исследования - улучшить понимание того, как можно управлять химическими процессами в более общих системах и средах", - добавляет Кеттерле.

Соавторами статьи стали Сон, Кеттерле, аспиранты MIT Джулиана Парк и Юкун Лу, бывший постдок профессора Алан Джемисон из Университета Ватерлоо и профессор Тийс Карман из Университета Радбоуда в Неймегене, Нидерланды. Все, кроме Кармана, являются или являлись исследователями в Центре ультрахолодных атомов Массачусетского технологического института и Гарвардского университета. Команда Массачусетского технологического института связана с физическим факультетом Массачусетского технологического института и Исследовательской лабораторией электроники (RLE).