Forskare har utfört den första kvantmekaniska simuleringen någonsin av den ultrakylda kemiska reaktionen mellan kalium-rubidium (KRb) och en kaliumatom, öppnar dörren till nya kontrollerade kemi -experiment och kvantkontroll av kemiska reaktioner som kan leda till framsteg inom kvantberäkning och avkänningsteknik. Forskningen av ett multiinstitutionellt team simulerade den ultrakalla kemiska reaktionen, med resultat som inte hade avslöjats i experiment.

"Vi fann att den totala reaktiviteten i stort sett är okänslig för den underliggande kaotiska dynamiken i systemet, " sa Brian Kendrick från Los Alamos National Laboratory's Theoretical Division, "Denna observation har viktiga konsekvenser för utvecklingen av kontrollerad kemi och för de tekniska tillämpningarna av ultrakylda molekyler från precisionsmätning till kvantberäkning."

Forskningen tog upp öppna frågor om huruvida kemiska reaktioner inträffar vid en miljarddels grad över absolut noll och om resultatet kan kontrolleras. Forskare över hela världen tar upp dessa frågor experimentellt genom att kyla och fånga atomer och molekyler vid temperaturer nära absolut noll och låta dem interagera kemiskt. Detta kemifält, allmänt kallad ultracold kemi, har blivit en hotbed för kontrollerade kemi -experiment och kvantkontroll av kemiska reaktioner, kemiens heliga gral.

I ett banbrytande experiment 2010, grupper vid Colorado's JILA (tidigare känd som Joint Institute for Laboratory Astrophysics) kunde producera en ultrakyld gas av KRb-molekyler vid nano-Kelvin-temperaturer. Genom att bara vända på kärnspinnet hos en KRb-molekyl visade de att den ultrakalla reaktionen mellan dessa molekyler kunde slås på eller av - en perfekt illustration av kontrollerad on-demand-kemi.

Men teoretiska beräkningar av reaktionsdynamiken för sådana system utgör en skrämmande beräkningsutmaning. Beräkningarna av K + KRb -reaktionen ger nya insikter om reaktionsdynamiken som inte avslöjas i experimenten - att de rotationslösta reaktionshastigheterna uppvisar en statistisk (Poisson) fördelning.

En fascinerande upptäckt av deras studie, Kendrick noterar, är att medan den övergripande reaktiviteten styrs av de långväga krafterna, rotationspopulationerna för produktens K2-molekyl styrs av kaotisk dynamik på kort räckvidd. "Den kaotiska dynamiken verkar vara en allmän egenskap för alla ultrakylda reaktioner som involverar tunga alkalimolekyler, "sa Kendrick, "så att rotationspopulationerna för alla sådana reaktioner kommer att uppvisa samma Poisson -fördelning."

Den här nya, grundläggande förståelse av ultrakylda reaktioner kommer att vägleda relaterade tekniska tillämpningar inom kvantkontroll/beräkning, precisionsmätning och avkänning viktig för Los Alamos -uppdragen inom informationsvetenskap och teknik och global säkerhet.