Voortbouwend op hun hernieuwde vermogen om moleculen in ultrakoude gassen over lange afstanden met elkaar te laten interageren, JILA-onderzoekers hebben een elektrische "knop" gebruikt om moleculaire botsingen te beïnvloeden en de chemische reactiesnelheden drastisch te verhogen of te verlagen.

Deze superkoude gassen volgen de schijnbaar contra-intuïtieve regels van de kwantummechanica, met exacte eenheden, of quanta, van energie en vaak exotische bewegingen. Dus, het vermogen om chemische reacties in stabiele kwantumgassen te beheersen, zou het ontwerp van nieuwe chemicaliën en gassen mogelijk maken, nieuwe platforms voor kwantumcomputers die moleculen gebruiken als informatierijke qubits (quantumbits), en nieuwe instrumenten voor precisiemetingen zoals moleculaire klokken.

Het voorschot wordt beschreven in het nummer van 11 december van Wetenschap . JILA wordt gezamenlijk beheerd door het National Institute of Standards and Technology (NIST) en de University of Colorado Boulder.

"De moleculaire botsingen in ons experiment zijn zeer kwantummechanisch, met hun trajecten allemaal gekwantificeerd in termen van de manier waarop ze elkaar kunnen benaderen, "NIST/JILA-collega Jun Ye zei. "Dit is heel anders dan een warm gas waar moleculen elkaar willekeurig kunnen benaderen."

Het nieuwe werk is een vervolg op Ye's vele eerdere prestaties met ultrakoude kwantumgassen. Vooral, de vooruitgang bouwt voort op JILA's vereenvoudigde schema om moleculaire gassen naar hun laagste energietoestand te duwen, kwantumdegeneratie genoemd, waarin de moleculen zich gaan gedragen als overlappende golven die allemaal op elkaar inwerken.

De laatste JILA-experimenten creëerden een dicht gas van tienduizenden kalium-rubidiummoleculen in een zes-elektrodenassemblage, die onderzoekers gebruikten om een ​​afstembaar elektrisch veld te genereren. De moleculen waren opgesloten in een stapel pannenkoekvormige laservallen, een optisch rooster genoemd. maar waren vrij om binnen elke pannenkoek te botsen, zoals mensen schaatsen op een ijsbaan, zei je.

Botsingen tussen moleculen resulteren vaak in chemische reacties die het gas snel uitputten. Echter, het JILA-team ontdekte dat moleculen kunnen worden "afgeschermd" tegen deze chemische reacties door aan een eenvoudige knop te draaien - de sterkte van het elektrische veld. De afscherming is te wijten aan het elektrische veld dat de rotaties en interacties van de moleculen wijzigt.

De moleculen stoten elkaar af omdat het fermionen zijn, een klasse van deeltjes die niet tegelijkertijd in dezelfde kwantumtoestand en locatie kunnen zijn. Maar de moleculen kunnen interageren omdat ze polair zijn, met een positieve elektrische lading aan het rubidiumatoom en een negatieve lading aan het kaliumatoom. De tegengestelde ladingen creëren elektrische dipoolmomenten die gevoelig zijn voor elektrische velden. Als de moleculen van kop tot staart botsen, met tegengestelde beschuldigingen, chemische reacties putten het gas snel uit. Als de moleculen naast elkaar botsen, ze stoten elkaar af.

Het JILA-team begon met het bereiden van een gas waarin elk molecuul ronddraaide met precies één kwantumeenheid van rotatie. Dus, elk molecuul gedroeg zich als een kleine kwantumtop, draaiend om zijn as, met alleen bepaalde waarden van impulsmoment (of rotatiesnelheden) toegestaan ​​door de kwantummechanica. Door het elektrisch veld te veranderen, vonden de onderzoekers speciale velden ("resonanties") waar twee botsende, draaiende moleculen kunnen hun rotaties uitwisselen, waardoor het ene molecuul twee keer zo snel ronddraait en het andere helemaal niet.

De mogelijkheid om rotaties uit te wisselen veranderde de aard van de botsingen volledig, waardoor de krachten tussen botsende moleculen snel veranderen van aantrekkelijk naar afstotend in de buurt van de resonanties. Toen de interacties tussen moleculen weerzinwekkend waren, de moleculen werden beschermd tegen verlies, omdat ze zelden dichtbij genoeg kwamen om chemisch te reageren. Toen de interacties aantrekkelijk waren, de chemische reactiesnelheid werd drastisch verhoogd.

In de buurt van de resonanties, het JILA-team observeerde bijna een duizendvoudige verandering in de chemische reactiesnelheid bij het afstemmen van de elektrische veldsterkte met slechts een paar procent. Met de sterkste afscherming, de chemische reactiesnelheid werd teruggebracht tot een tiende van de normale achtergrondwaarde, het creëren van een stabiele, langlevend gas.

Dit is de eerste demonstratie van het gebruik van een elektrisch veld om resonant te regelen hoe moleculen met elkaar omgaan. De experimentele resultaten kwamen overeen met theoretische voorspellingen. JILA-onderzoekers verwachten dat hun technieken effectief blijven zonder het optische rooster, die toekomstige inspanningen om moleculaire gassen gemaakt van andere soorten atomen te creëren, zal vereenvoudigen.