Физиците за първи път наблюдават рядък резонанс в молекулите

Ако удари правилния тон, певицата може да счупи чаша за вино. Причината е резонанс. Въпреки че стъклото може леко да вибрира в отговор на повечето акустични тонове, височина, която резонира със собствената естествена честота на материала, може да изпрати вибрациите му до ускоряване, което да накара стъклото да се счупи.

Резонанс възниква и при много по-малък мащаб на атомите и молекули. Когато частиците реагират химически, това отчасти се дължи на специфични условия, които резонират с частиците по начин, който ги кара да се свързват химически. Но атомите и молекулите са постоянно в движение, обитавайки мъгла от вибриращи и въртящи се състояния. Избирането на точното резониращо състояние, което в крайна сметка задейства молекулите да реагират, е почти невъзможно.

Физиците от Масачузетския технологичен институт може би са разгадали част от тази мистерия с ново проучване, публикувано в списанието Природата. Екипът съобщава, че за първи път са наблюдавали a резонанс при сблъсък ултрастудени молекули.

Те откриха, че облак от супер охладени натриево-литиеви (NaLi) молекули изчезва 100 пъти по-бързо от нормалното, когато е изложен на много специфично магнитно поле. Бързото изчезване на молекулите е знак, че магнитното поле е настроило частиците в резонанс, карайки ги да реагират по-бързо, отколкото обикновено.

Констатациите хвърлят светлина върху мистериозните сили, които карат молекулите да реагират химически. Те също предполагат, че учените биха могли един ден да използват естествените резонанси на частиците, за да управляват и контролират някои химична реакция.

„Това е първият път, когато е наблюдаван резонанс между две свръхстудени молекули“, казва авторът на изследването Волфганг Кетерле, професор по физика Джон Д. Макартър в MIT. „Имаше предположения, че молекулите са толкова сложни, че са като гъста гора, където няма да можете да разпознаете нито един резонанс. Но открихме, че едно голямо дърво се откроява, с коефициент 100. Наблюдавахме нещо напълно неочаквано. ”

Съавторите на Ketterle включват водещ автор и студент от Масачузетския технологичен институт Джулиана Парк, студент Ю-Кун Лу, бивш постдоктор на Масачузетския технологичен институт Алън Джеймисън, който в момента е в Университета на Ватерло, и Тимур Чербул в Университета на Невада.

Средна мистерия

В рамките на облак от молекули сблъсъци възникват постоянно. Частиците могат да се отдръпнат една от друга като неистови билярдни топки или да се слепят в кратко, но изключително важно състояние, известно като „междинен комплекс“, който след това задейства реакция за трансформиране на частиците в нова химическа структура.

„Когато две молекули се сблъскат, през повечето време те не стигат до това междинно състояние“, казва Джеймисън. „Но когато са в резонанс, скоростта на преминаване в това състояние се покачва драстично.“

„Междинният комплекс е мистерията зад цялата химия“, добавя Кетърле. “Обикновено реагентите и продуктите на химическата реакция са известни, но не и как едното води до другото. Знаейки нещо за резонанса на молекулите, може да ни даде пръстов отпечатък на това мистериозно средно състояние.”

Групата на Ketterle е търсила признаци на резонанс в атоми и молекули, които са свръхохладени до температури точно над абсолютната нула. Такива свръхстудени условия възпрепятстват произволното движение на частиците, движено от температурата, което дава на учените по-добър шанс да разпознаят всякакви по-фини признаци на резонанс.

През 1998 г. Ketterle направи първото наблюдение на такива резонанси в ултрастудени атоми. Той забеляза, че когато много специфично магнитно поле беше приложено към свръхохладени натриеви атоми, полето засили начина, по който атомите се разпръснаха един от друг, в ефект, известен като резонанс на Фешбах. Оттогава той и други са търсили подобни резонанси в сблъсъци, включващи както атоми, така и молекули.

„Молекулите са много по-сложни от атомите“, казва Кетърле. “Те имат толкова много различни вибрационни и ротационни състояния. Следователно не беше ясно дали молекулите изобщо биха показали резонанси.”

Игла в купа сено

Преди няколко години Джеймисън, който по това време беше постдоктор в лабораторията на Кетърле, предложи подобен експеримент, за да види дали могат да се наблюдават признаци на резонанс в смес от атоми и молекули, охладени до една милионна от градуса над абсолютната нула. Чрез промяна на an външно магнитно полете откриха, че наистина могат да уловят няколко резонанса сред натриеви атоми и натриево-литиеви молекули, които те отчетени миналата година.

След това, както докладва екипът в настоящото проучване, аспирантът Парк разгледа по-отблизо данните.

„Тя откри, че един от тези резонанси не включва атоми“, казва Кетерле. „Тя издуха атомите с лазерна светлина и един резонанс все още беше там, много остър и включваше само молекули.“

Парк установи, че молекулите изглежда изчезват – знак, че частиците са претърпели химическа реакция – много по-бързо, отколкото обикновено, когато са били изложени на много специфично магнитно поле.

В първоначалния си експеримент Джеймисън и колеги приложиха a магнитно поле че те варират в широк диапазон от 1000 Гауса. Парк установи, че молекулите на натрий-литий внезапно изчезват, 100 пъти по-бързо от нормалното, в рамките на малка част от този магнитен обхват, на около 25 милигауса. Това е еквивалентно на ширината на човешки косъм в сравнение с пръчка с дължина метър.

„Необходими са внимателни измервания, за да се намери иглата в тази купа сено“, казва Парк. „Но ние използвахме систематична стратегия, за да увеличим този нов резонанс.“

В крайна сметка екипът наблюдава силен сигнал, че това конкретно поле резонира с молекулите. Ефектът увеличи шанса на частиците да се свържат в кратък, междинен комплекс, който след това предизвика реакция, която накара молекулите да изчезнат.

Като цяло, откритието осигурява по-задълбочено разбиране на молекулярната динамика и химия. Въпреки че екипът не очаква учените да могат да стимулират резонанса и да управляват реакциите на нивото на органичната химия, един ден би могло да бъде възможно това да се направи в квантовия мащаб.

„Една от основните теми на квантовата наука е изучаването на системи с нарастваща сложност, особено когато квантовият контрол е потенциално в зародиш“, казва Джон Дойл, професор по физика в Харвардския университет, който не е участвал в изследването на групата. „Тези видове резонанси, наблюдавани първо в прости атоми, а след това в по-сложни, доведоха до невероятен напредък в атомната физика. Сега, когато това се вижда в молекулите, първо трябва да го разберем в детайли и след това да оставим въображението си да се лута и да мислим какво може да е добре за, може би, изграждане на по-голям ultracold молекуливероятно изучаване на интересни състояния на материята.”