Квантовая интерференция помогла проконтролировать ультрахолодную химическую реакцию

Физики продемонстрировали управление скоростью химической реакции между ультрахолодными молекулами и атомами с помощью магнитного поля. Эффект основан на точной настройке резонанса Фешбаха, который возникает при интерференции Фабри — Перо волновой функции в ван-дер-ваальсовом потенциале. Исследование опубликовано в Science.

Охлаждение атомов до сверхнизких температур открыло дорогу к созданию ультрахолодной химии. Уменьшение кинетической энергии пойманных в ловушки атомов и молекул, позволило тщательно контролировать химические реакции, некоторые из которых не были бы возможны при обычных температурах. Рекордно холодная химическая реакция, известная на сегодняшний день, произошла при температуре 500 нанокельвин.

Среди прочего ученые изучают вопрос о том, как можно повлиять 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.

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.

Физики активно исследуют альтернативные способы управления химическими связями. Мы уже рассказывали, как для этого предлагается использовать атомно-силовой микроскоп и фотонные кристаллы.

Марат Хамадеев