Bygger på sin nyfunna förmåga att få molekyler i ultrakalla gaser att interagera med varandra över långa avstånd, JILA-forskare har använt en elektrisk "ratt" för att påverka molekylära kollisioner och dramatiskt höja eller sänka kemiska reaktionshastigheter.

Dessa superkyla gaser följer kvantmekanikens till synes kontraintuitiva regler, med exakta enheter, eller quanta, av energi och ofta exotiska rörelser. Således, förmågan att kontrollera kemiska reaktioner i stabila kvantgaser skulle kunna möjliggöra utformningen av nya kemikalier och gaser, nya plattformar för kvantdatorer som använder molekyler som informationsrika kvantbitar (kvantbitar), och nya verktyg för precisionsmätning som molekylära klockor.

Förskottet beskrivs i numret 11 december av Vetenskap . JILA drivs gemensamt av National Institute of Standards and Technology (NIST) och University of Colorado Boulder.

"De molekylära kollisionerna i vårt experiment är väldigt kvantmekaniska, med deras banor alla kvantifierade i termer av hur de kan närma sig varandra, " NIST/JILA Fellow Jun Ye sa. "Detta skiljer sig mycket från en varm gas där molekyler kan närma sig varandra slumpmässigt."

Det nya arbetet följer upp Yes många tidigare prestationer med ultrakalla kvantgaser. Särskilt, framstegen bygger på JILAs förenklade system för att knuffa ner molekylära gaser till deras lägsta energitillstånd, kallas kvantdegeneration, där molekylerna börjar agera som överlappande vågor som alla samverkar.

De senaste JILA-experimenten skapade en tät gas av tiotusentals kalium-rubidium-molekyler i en sex-elektrodenhet, som forskare använde för att generera ett avstämbart elektriskt fält. Molekylerna var inneslutna i en stapel pannkaksformade laserfällor som kallas ett optiskt gitter, men var fria att kollidera i varje pannkaka, som människor som åker skridskor på en isbana, Sa ni.

Kollisioner mellan molekyler resulterar ofta i kemiska reaktioner som snabbt utarmar gasen. Dock, JILA-teamet fann att molekyler kunde "skyddas" från dessa kemiska reaktioner genom att vrida på en enkel ratt – styrkan hos det elektriska fältet. Avskärmningen beror på att det elektriska fältet modifierar molekylernas rotationer och interaktioner.

Molekylerna stöter bort varandra eftersom de är fermioner, en klass av partiklar som inte kan vara i samma kvanttillstånd och plats samtidigt. Men molekylerna kan interagera eftersom de är polära, med en positiv elektrisk laddning vid rubidiumatomen och en negativ laddning vid kaliumatomen. De motsatta laddningarna skapar elektriska dipolmoment som är känsliga för elektriska fält. När molekylerna kolliderar topp mot svans, med motsatta anklagelser, kemiska reaktioner tar snabbt ut gasen. När molekylerna kolliderar sida vid sida, de stöter bort varandra.

JILA-teamet började med att förbereda en gas där varje molekyl snurrade med exakt en kvantenhet för rotation. Således, varje molekyl agerade som en liten kvanttopp, snurrar runt sin axel, med endast vissa värden på rörelsemängd (eller rotationshastigheter) tillåtna av kvantmekaniken. Genom att ändra det elektriska fältet, forskarna hittade speciella fält ("resonanser") där två kolliderar, snurrande molekyler kan byta sina rotationer, lämnar en molekyl att snurra dubbelt så snabbt och den andra inte snurrar alls.

Möjligheten att byta rotationer förändrade helt arten av kollisionerna, vilket gör att krafterna mellan kolliderande molekyler snabbt ändras från attraktiva till frånstötande nära resonanserna. När interaktionerna mellan molekyler var frånstötande, molekylerna var skyddade från förlust, eftersom de sällan kom tillräckligt nära för att reagera kemiskt. När interaktionerna var attraktiva, den kemiska reaktionshastigheten ökade dramatiskt.

Nära resonanserna, JILA-teamet observerade nästan en tusenfaldig förändring i den kemiska reaktionshastigheten när man justerade den elektriska fältstyrkan med bara några få procent. Med den starkaste avskärmningen, den kemiska reaktionshastigheten reducerades till en tiondel av det normala bakgrundsvärdet, skapa ett stall, långlivad gas.

Detta är den första demonstrationen av användningen av ett elektriskt fält för att resonansstyra hur molekyler interagerar med varandra. De experimentella resultaten överensstämde med teoretiska förutsägelser. JILA-forskare förväntar sig att deras tekniker förblir effektiva utan det optiska gittret, vilket kommer att förenkla framtida ansträngningar att skapa molekylära gaser gjorda av andra typer av atomer.