In een beroemde gelijkenis, drie blinde mannen ontmoeten voor het eerst een olifant. Elk raakt een deel aan - de romp, oor, of kant - en concludeert dat het wezen een dikke slang is, fan, of muur. Deze olifant, zei Kang-Kuen Ni, is als de kwantumwereld. Wetenschappers kunnen alleen een cel van deze enorme, onbekend wezen tegelijk. Nutsvoorzieningen, Ni heeft er nog een paar onthuld om te verkennen.

Het begon allemaal afgelopen december, toen zij en haar team een ​​nieuw apparaat voltooiden dat de laagste temperatuur chemische reacties van alle momenteel beschikbare technologie kon bereiken en vervolgens brak en de koudste bindingen vormde in de geschiedenis van moleculaire koppeling. Maar hun ultrakoude reacties vertraagden de reactie ook onverwachts tot een trage snelheid, geven de onderzoekers een realtime glimp van wat er gebeurt tijdens een chemische transformatie. Nutsvoorzieningen, hoewel reacties als te snel worden beschouwd om te meten, Ni bepaalde niet alleen de levensduur van die reactie, ze loste daarbij een ultrakoud mysterie op.

Met ultrakoude chemie, nee, de Morris Kahn universitair hoofddocent scheikunde en chemische biologie en natuurkunde, en haar team koelde twee kalium-rubidiummoleculen af ​​tot net boven het absolute nulpunt en vond de "tussenliggende, " de ruimte waar reactanten in producten veranderen, leefde ongeveer 360 nanoseconden (nog steeds miljardsten van een seconde, maar lang genoeg). "Het is niet de reactant. Het is niet het product. Het is iets er tussenin, " zei Ni. Kijkend naar die transformatie, als het aanraken van de zijkant van een olifant, kan haar iets nieuws vertellen over hoe moleculen, de basis van alles, werk.

Maar ze keken niet alleen.

"Dit ding leeft zo lang dat we er nu echt mee kunnen rommelen... met licht, " zei Yu Liu, een afgestudeerde student aan de Graduate School of Arts and Sciences en eerste auteur van hun studie gepubliceerd in Natuurfysica . "Typische complexen, zoals die in een reactie op kamertemperatuur, je zou er niet veel mee kunnen doen omdat ze zo snel uiteenvallen in producten."

Zoals Star Trek-trekbalken, lasers kunnen moleculen vangen en manipuleren. In ultrakoude fysica, dit is de go-to-methode om atomen te vangen en te controleren, observeer ze in hun kwantumgrondtoestand of dwing ze om te reageren. Maar toen wetenschappers overstapten van het manipuleren van atomen naar het knoeien met moleculen, er gebeurde iets vreemds:moleculen begonnen uit het zicht te verdwijnen.

"Ze maakten deze moleculen klaar, in de hoop veel van de toepassingen te realiseren die ze beloven:het bouwen van kwantumcomputers, bijvoorbeeld, maar in plaats daarvan zien ze verlies, ' zei Liu.

alkali atomen, zoals de kalium en rubidium Ni en haar teamstudie, zijn gemakkelijk af te koelen in het ultrakoude rijk. In 1997, wetenschappers wonnen een Nobelprijs voor natuurkunde voor het koelen en vangen van alkali-atomen in laserlicht. Maar moleculen zijn wankeler dan atomen:ze zijn niet alleen een bolvormig ding dat daar zit, zei Liu, ze kunnen draaien en trillen. Samen gevangen in het laserlicht, de gasmoleculen botsten tegen elkaar zoals verwacht, maar sommige zijn gewoon verdwenen.

Wetenschappers speculeerden dat het moleculaire verlies het gevolg was van reacties - twee moleculen botsten tegen elkaar en, in plaats van in verschillende richtingen te gaan, ze veranderden in nieuwe soorten. Maar hoe?

"Wat we in dit document vonden, beantwoordt die vraag, "Zei Liu. "Het enige dat je gebruikt om het molecuul op te sluiten, is het doden van het molecuul." Met andere woorden, het is de schuld van het licht.

Toen Liu en Ni lasers gebruikten om dat intermediaire complex - het midden van hun chemische reactie - te manipuleren, ontdekten ze dat het licht de moleculen van hun typische reactiepad naar een nieuwe dwong. Een paar moleculen, aan elkaar geplakt als een intermediair complex, kunnen "foto-enthousiast" worden in plaats van hun traditionele pad te volgen, zei Liu. Alkalimoleculen zijn bijzonder gevoelig vanwege hoe lang ze in hun intermediaire complex leven.

"In principe, als je verlies wilt elimineren, "Lou zei, 'Je moet het licht uitdoen. Je moet een andere manier vinden om deze dingen op te sluiten.' Magneten, bijvoorbeeld, of elektrische velden kunnen moleculen opsluiten, te. "Maar deze zijn allemaal technisch veeleisend, "zei Liu. Licht is gewoon eenvoudiger.

Volgende, Ni wil zien waar deze complexen heen gaan als ze verdwijnen. Bepaalde golflengten van licht (zoals het infrarood dat het team gebruikte om hun kalium-rubidiummoleculen te exciteren) kunnen verschillende reactiepaden creëren, maar niemand weet welke golflengten moleculen naar welke nieuwe formaties sturen.

Ze zijn ook van plan om te onderzoeken hoe het complex eruitziet in verschillende stadia van transformatie. "Om de structuur ervan te onderzoeken, "Lou zei, "we kunnen de frequentie van het licht variëren en zien hoe de mate van excitatie varieert. Van daaruit kunnen we we kunnen uitzoeken waar de energieniveaus van dit ding zijn, die informeert over de kwantummechanische constructie."

"We hopen dat dit zal dienen als een modelsysteem, "Ni zei, een voorbeeld van hoe onderzoekers andere reacties bij lage temperatuur kunnen onderzoeken waarbij geen kalium en rubidium betrokken zijn.

"Deze reactie is zoals vele andere chemische reacties, een soort universum op zich, " zei Liu. Met elke nieuwe observatie, het team onthult een klein stukje van de gigantische kwantumolifant. Aangezien er een oneindig aantal chemische reacties is in het bekende heelal, er is nog een lange, een lange weg te gaan.