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
Это показали эксперименты с газированными напитками
Американские и французские физики разобрались в причинах, по которым всплывающие в газированном напитке пузыри выстраиваются или не выстраиваются в ровные цепочки. Для этого они проводили эксперименты с дегазированными напитками (газировкой, пивом, игристым вином и шампанским) и модельными жидкостями. В результате ученые выяснили, что на этот эффект влияет размер пузырей и характеристики и количество поверхностно-активных веществ в напитке. Исследование опубликовано в Physical Review Fluids. Всплытие пузырей в жидкости — это неотъемлемая часть множества процессов в природе и технологиях, начиная от просачивания газов из-под океанского дна и заканчивая очисткой сточных вод с помощью насыщения ее кислородом в аэротенках. Важную роль пузыри играют и в производстве газированных напитков: мы уже рассказывали об их роли в восприятии вкуса пива и шампанского. В случае с шампанским всплытие пузырьков играет еще и важную эстетическую роль: они поднимаются в виде почти вертикальных цепочек с постоянным интервалом. Вместе с тем, такое поведение встречается не во всех напитках. Теоретики лишь недавно смогли объяснить причину противоположного поведения: всплытия по зигзагообразным или спиральным траекториям. Причины же возникновения ровных цепочек физикам пока до конца не ясны, равно как и условия, при которых разные режимы всплытия сменяют друг друга. Ответить на эти вопросы взялась команда американских и французских физиков под руководством Роберто Зенита (Roberto Zenit) из Университета Брауна. Им удалось экспериментально и теоретически выяснить, что на формирование стабильных пузырьковых цепочек оказывает влияние два фактора: их размер и наличие в жидкости поверхностно-активных веществ (ПАВ). В случае с напитками последний фактор оказывается решающим — он определяет разницу во всплытии пузырьков между газированной водой и шампанским. Физики проводили опыты в плексигласовом прямоугольном бассейне размером 50 × 50 × 400 миллиметров. На дно бассейна ученые устанавливали иглы различного диаметра закругления, через которые подавали воздух и получали пузырьки разного размера. Контроль подачи воздуха, в свою очередь, регулировал частоту их образования и, как следствие, межпузырьковое расстояние. Исследователи наполняли установку жидкостями, предварительно дегазированными в условиях вакуума: газированной водой, светлым пивом, игристым вином и шампанским. Кроме того, в качестве модельной жидкости они использовали смеси дистиллированной воды и глицерина в различных пропорциях. Эксперименты сопровождались численным моделированием с помощью уравнений Навье — Стокса. Главный результат, полученный физиками, заключается в том, что стабильность цепочки устанавливается при размерах пузырей или количестве ПАВ, выраженного через число Ленгмюра, выше некоторых порогов, а до того они расходятся в пределах конуса. Симуляции показали, что пузырьки нужных размеров могут двигаться прямолинейно только в том случае, если на их поверхности создается достаточная завихренность — тогда подъемная сила, действующая на нижний пузырь под влиянием верхнего, меняет знак и вталкивает его следом. На это, в свою очередь, влияет химический состав напитков: если в пиве ПАВ — это тяжелые белки, то в шампанском эту роль играют более легкие жирные кислоты. Полученные результаты, помимо применения в производстве алкоголя, можно использовать для оценки уровня загрязнения ПАВ практически в любой жидкости. Группу Зенита давно интересуют пузырьки в алкоголе. Ранее мы рассказывали, как физики научно обосновали традиционный способ определения концентрации этанола при перегонке мескаля по времени жизни пузырьков.
