Физики впервые наблюдают редкий резонанс в молекулах
Всегда есть особые условия, которые резонируют с частицами таким образом, что заставляют их вступать в химическую связь. Выбрать точное резонирующее состояние, которое в конечном итоге вызывает реакцию молекул, было почти невозможно. Физики Массачусетского технологического института, возможно, приоткрыли часть этой тайны в новом исследовании, опубликованном в журнале Nature. Команда сообщает, что они впервые наблюдали резонанс при столкновении ультрахолодных молекул. Они обнаружили, что облако переохлажденных молекул натрия-лития (NaLi) исчезало в 100 раз быстрее, чем обычно, при воздействии очень специфического магнитного поля. Быстрое исчезновение молекул является признаком того, что магнитное поле настроило частицы в резонанс, заставив их реагировать быстрее, чем обычно.
Модель с тремя состояниями для резонансных и оптических аналогов.
Кредит: Природа (2023). DOI: 10.1038/s41586-022-05635-8
Если она попадет в нужное место, певица может разбить бокал. Причина в резонансе. В то время как стекло может слегка вибрировать в ответ на большинство акустических тонов, высота тона, которая резонирует с собственной частотой материала, может усилить его вибрации, заставив стекло разбиться.
Резонанс также происходит в гораздо меньшем масштабе атомов и молекул. Когда частицы вступают в химическую реакцию, это отчасти происходит из-за особых условий, которые резонируют с частицами таким образом, что заставляют их вступать в химическую связь. Но атомы и молекулы постоянно находятся в движении, пребывая в размытом состоянии вибрирующих и вращающихся состояний. Выбрать точное резонирующее состояние, которое в конечном итоге вызывает реакцию молекул, было почти невозможно.
Физики Массачусетского технологического института, возможно, приоткрыли часть этой тайны в новом исследовании, опубликованном в журнале Nature. Команда сообщает, что они впервые наблюдали резонанс при столкновении ультрахолодных молекул.
Они обнаружили, что облако переохлажденных молекул натрия-лития (NaLi) исчезало в 100 раз быстрее, чем обычно, при воздействии очень специфического магнитного поля. Быстрое исчезновение молекул является признаком того, что магнитное поле настроило частицы в резонанс, заставив их реагировать быстрее, чем обычно.
Полученные данные проливают свет на таинственные силы, которые заставляют молекулы вступать в химические реакции. Они также предполагают, что однажды ученые смогут использовать естественные резонансы частиц, чтобы направлять и контролировать определенные химические реакции.
«Это самый первый случай, когда наблюдается резонанс между двумя ультрахолодными молекулами», — говорит автор исследования Вольфганг Кеттерле, профессор физики Массачусетского технологического института имени Джона Д. Макартура. «Были предположения, что молекулы настолько сложны, что подобны густому лесу, где нельзя распознать ни одного резонанса. Но мы нашли одно большое дерево, выделяющееся в 100 раз. Мы наблюдали нечто совершенно неожиданное. "
Среди соавторов Кеттерле ведущий автор и аспирант Массачусетского технологического института Джулиана Парк, аспирант Ю-Кун Лу, бывший постдоктор Массачусетского технологического института Алан Джеймисон, который в настоящее время работает в Университете Ватерлоо, и Тимур Щербул из Университета Невады.
Тайна
Внутри облака молекул постоянно происходят столкновения. Частицы могут отталкиваться друг от друга, как неистовые бильярдные шары, или слипаться в кратком, но решающем состоянии, известном как «промежуточный комплекс», который затем запускает реакцию по преобразованию частиц в новую химическую структуру.
«Когда сталкиваются две молекулы, большую часть времени они не достигают этого промежуточного состояния», — говорит Джеймисон. «Но когда они находятся в резонансе, скорость перехода в это состояние резко возрастает».
«Промежуточный комплекс — это загадка всей химии», — добавляет Кеттерле. «Обычно известны реагенты и продукты химической реакции, но не то, как одно ведет к другому. Знание чего-то о резонансе молекул может дать нам отпечаток пальца этого таинственного среднего состояния».
Группа Кеттерле искала признаки резонанса в атомах и молекулах, которые были переохлаждены до температуры чуть выше абсолютного нуля. Такие ультрахолодные условия препятствуют случайному движению частиц, обусловленному температурой, что дает ученым больше шансов распознать любые более тонкие признаки резонанса.
В 1998 году Кеттерле впервые наблюдал такие резонансы в ультрахолодных атомах. Он заметил, что, когда к переохлажденным атомам натрия прикладывалось очень специфическое магнитное поле, это поле усиливало то, как атомы рассеивались друг от друга, в эффекте, известном как резонанс Фешбаха. С тех пор он и другие ученые искали подобные резонансы в столкновениях как атомов, так и молекул.
«Молекулы намного сложнее атомов, — говорит Кеттерле. «У них так много разных колебательных и вращательных состояний. Поэтому было неясно, будут ли молекулы вообще демонстрировать резонансы».
Иголка в стоге сена
Несколько лет назад Джемисон, который в то время был постдоком в лаборатории Кеттерле, предложил аналогичный эксперимент, чтобы увидеть, можно ли наблюдать признаки резонанса в смеси атомов и молекул, охлажденных до миллионной доли градуса выше абсолютного нуля. Изменяя внешнее магнитное поле, они обнаружили, что действительно могут уловить несколько резонансов среди атомов натрия и молекул натрия-лития, о которых они сообщили в прошлом году.
Затем, как сообщает команда в текущем исследовании, аспирант Пак более внимательно изучил данные.
«Она обнаружила, что в одном из этих резонансов не участвуют атомы, — говорит Кеттерле. «Она сдула атомы лазерным светом, и один резонанс остался, очень резкий и касался только молекул».
Парк обнаружил, что молекулы, казалось, исчезали — признак того, что частицы подверглись химической реакции — гораздо быстрее, чем обычно, когда они подвергались воздействию очень специфического магнитного поля.
В своем первоначальном эксперименте Джеймисон и его коллеги применили магнитное поле, которое они варьировали в широком диапазоне, в 1000 гауссов. Парк обнаружил, что молекулы натрия-лития внезапно исчезли, в 100 раз быстрее, чем обычно, в крошечной полоске этого магнитного диапазона, около 25 мГс. Это эквивалентно ширине человеческого волоса по сравнению с метровой палкой.
«Нужны тщательные измерения, чтобы найти иголку в этом стоге сена», — говорит Парк. «Но мы использовали систематическую стратегию, чтобы приблизить этот новый резонанс».
В конце концов, команда обнаружила сильный сигнал о том, что это конкретное поле резонирует с молекулами. Этот эффект увеличивал вероятность связывания частиц в короткий промежуточный комплекс, который затем запускал реакцию, в результате которой молекулы исчезали.
В целом открытие обеспечивает более глубокое понимание молекулярной динамики и химии. Хотя команда не ожидает, что ученые смогут стимулировать резонанс и управлять реакциями на уровне органической химии, однажды это станет возможным в квантовом масштабе.
«Одной из основных тем квантовой науки является изучение систем возрастающей сложности, особенно когда квантовый контроль потенциально находится в ближайшем будущем», — говорит Джон Дойл, профессор физики Гарвардского университета, не участвовавший в исследованиях группы. «Такого рода резонансы, которые сначала наблюдались в простых атомах, а затем в более сложных, привели к удивительным достижениям в атомной физике. Теперь, когда это наблюдается в молекулах, мы должны сначала понять это в деталях, а затем дать волю воображению и подумать, что это может быть полезно, возможно, для создания более крупных ультрахолодных молекул, возможно, для изучения интересных состояний материи».
