Исследователи зафиксировали обменную химическую реакцию между двухатомными молекулами калия и рубидия при температуре в 500 нанокельвин. Авторам удалось зафиксировать взаимодействие при экстремально низкой температуре и запечатлеть присутствие промежуточного нестабильного комплекса из четырех атомов, говорится в статье, опубликованной в Science.
С термодинамической точки зрения температура представляет собой среднюю кинетическую энергию классического движения частиц. Следовательно, при стремлении к абсолютному нулю атомы и молекулы должны замирать. Несмотря на то, что полной остановки не происходит при сколь угодно низкой температуре (так как существуют еще квантовые флуктуации), протекание химических реакций все равно может значительно измениться.
Как правило, химические реакции протекают очень быстро, за время порядка пикосекунд. Это не позволяет запечатлеть непосредственно присутствие промежуточных соединений. В то же время с точки зрения теории они исключительно важны. Например, одна из теорий катализа описывает механизм ускорения реакций именно благодаря формированию промежуточного вещества из катализатора и реактанта. Прямых измерений промежуточных состояний реакции до этого не существовало.
Ученые умеют переводить отдельные атомы и молекулы в состояние чрезвычайно холодного газа. Это достигается за счет комбинации нескольких методик, причем ближе всего к абсолютному нулю позволяют приблизиться способы лазерного охлаждения. Это позволяет реализовать множество экспериментов, например, проверить влияние квантового вакуума на твердое тело или смоделировать необычную физическую систему.
Ученые под руководством Кан-Куэнь Ни (Kang-Kuen Ni) из Гарвардского университета использовали экстремальное охлаждение для наблюдения за ходом химической реакции. В их экспериментах двухатомные молекулы из калия и рубидия обменивались атомами, в результате чего сперва получался промежуточный комплекс из четырех атомов, который затем распадался на две двухатомные молекулы калия и рубидия: KRb + KRb → K2Rb2* → K2 + Rb2.
Для начала авторы создавали газ из молекул, находящихся в основном энергетическом состоянии. В таком виде частицы характеризуются нулевыми колебательными и вращательными квантовыми числами. Затем их помещали в оптическую ловушку, то есть созданный лазерным излучением потенциал. Так как движение молекул не останавливалось полностью, а их концентрации были велики, то между ними постоянно происходили реакции. Однако сверхнизкие температуры замедлили ход взаимодействия настолько, что промежуточный комплекс существовал порядка микросекунды.
Для регистрации веществ использовались импульсы лазерного излучения, которые приводили к фотоионизации. Заряженные молекулярные ионы ускоряли электрическим полем и направляли на микроканальную пластину, что позволяло определять массы частиц на основе времени их пролета. Также ученые регистрировали распределение частиц по скоростям. На данный момент не удалось напрямую измерить время жизни промежуточного соединения, но величина соответствующего сигнала позволяет получить оценочное значение в три микросекунды.
Авторы отмечают, что их работа демонстрирует возможность проведения ряда принципиально новых экспериментов по определению детальной роли квантовой механики в протекании химических реакций. В частности, для этого необходимо точно измерять время существования промежуточных соединений, а также изучать квантовую структуру энергетических уровней всех участвующих веществ.
Ранее та же группа ученых провела химическую реакцию между отдельными атомами щелочных металлов, а другие исследователи засняли разрыв молекулы ацетилена в субфемтосекундных деталях и ускорили реакцию «раскачиванием» химической связи лазером.