Onderzoekers hebben de allereerste kwantummechanische simulatie uitgevoerd van de benchmark ultrakoude chemische reactie tussen kalium-rubidium (KRb) en een kaliumatoom, de deur openen naar nieuwe gecontroleerde chemie-experimenten en kwantumcontrole van chemische reacties die kunnen leiden tot vooruitgang in kwantumcomputer- en detectietechnologieën. Het onderzoek door een multi-institutioneel team simuleerde de ultrakoude chemische reactie, met resultaten die niet waren onthuld in experimenten.

"We ontdekten dat de algehele reactiviteit grotendeels ongevoelig is voor de onderliggende chaotische dynamiek van het systeem, " zei Brian Kendrick van de Theoretical Division van Los Alamos National Laboratory, "Deze observatie heeft belangrijke implicaties voor de ontwikkeling van gecontroleerde chemie en voor de technologische toepassingen van ultrakoude moleculen, van precisiemeting tot kwantumcomputing."

Het onderzoek richtte zich op open vragen over de vraag of chemische reacties plaatsvinden op een miljardste van een graad boven het absolute nulpunt en of de uitkomst kan worden gecontroleerd. Wetenschappers over de hele wereld pakken deze vragen experimenteel aan door atomen en moleculen af ​​te koelen en op te sluiten bij temperaturen dicht bij het absolute nulpunt en ze chemisch te laten interageren. Dit vakgebied van de chemie, algemeen aangeduid als ultrakoude chemie, is een broeinest geworden voor gecontroleerde chemie-experimenten en kwantumcontrole van chemische reacties, de heilige graal van de chemie.

In een baanbrekend experiment in 2010 groepen bij JILA in Colorado (voorheen bekend als het Joint Institute for Laboratory Astrophysics) waren in staat om een ​​ultrakoud gas van KRb-moleculen te produceren bij temperaturen van nano-Kelvin. Door alleen de kernspin van een KRb-molecuul om te draaien, toonden ze aan dat de ultrakoude reactie tussen deze moleculen aan of uit kon worden gezet - een perfecte illustratie van gecontroleerde on-demand chemie.

Maar theoretische berekeningen van de reactiedynamiek voor dergelijke systemen vormen een enorme rekenkundige uitdaging. De berekeningen van de K + KRb-reactie bieden nieuwe inzichten in de reactiedynamiek die niet wordt onthuld in de experimenten - dat de rotatie opgeloste reactiesnelheden een statistische (Poisson) verdeling vertonen.

Een fascinerende bevinding van hun studie, Kendrick merkt op, is dat terwijl de algehele reactiviteit wordt bepaald door de langeafstandskrachten, de roterende populaties van het product K2-molecuul worden beheerst door chaotische dynamiek op korte afstand. "De chaotische dynamiek lijkt een algemene eigenschap te zijn van alle ultrakoude reacties waarbij zware alkalimoleculen betrokken zijn, " zei Kendrick, "dus de roterende populaties van al dergelijke reacties zullen dezelfde Poisson-verdeling vertonen."

Deze nieuwe, fundamenteel begrip van ultrakoude reacties zal leidend zijn voor gerelateerde technologische toepassingen in kwantumcontrole/computing, precisiemeting en -detectie belangrijk voor de Los Alamos-missies op het gebied van informatiewetenschap en -technologie en wereldwijde beveiliging.