I ricercatori hanno eseguito la prima simulazione quantomeccanica in assoluto della reazione chimica ultrafredda di riferimento tra potassio-rubidio (KRb) e un atomo di potassio, aprendo la porta a nuovi esperimenti di chimica controllata e al controllo quantistico delle reazioni chimiche che potrebbero innescare progressi nel calcolo quantistico e nelle tecnologie di rilevamento. La ricerca di un team multi-istituzionale ha simulato la reazione chimica ultrafredda, con risultati che non erano stati rivelati negli esperimenti.

"Abbiamo scoperto che la reattività complessiva è in gran parte insensibile alle dinamiche caotiche sottostanti del sistema, " ha affermato Brian Kendrick della divisione teorica del Los Alamos National Laboratory, "Questa osservazione ha importanti implicazioni per lo sviluppo della chimica controllata e per le applicazioni tecnologiche delle molecole ultrafredde, dalla misurazione di precisione al calcolo quantistico".

La ricerca ha affrontato domande aperte sul fatto che le reazioni chimiche avvengano a un miliardesimo di grado sopra lo zero assoluto e se il risultato possa essere controllato. Gli scienziati di tutto il mondo stanno affrontando sperimentalmente queste domande raffreddando e intrappolando atomi e molecole a temperature prossime allo zero assoluto e consentendo loro di interagire chimicamente. Questo campo della chimica, ampiamente indicato come chimica ultrafredda, è diventato un focolaio per esperimenti di chimica controllata e controllo quantistico delle reazioni chimiche, il Santo Graal della chimica.

In un esperimento pionieristico nel 2010, i gruppi del JILA del Colorado (precedentemente noto come Joint Institute for Laboratory Astrophysics) sono stati in grado di produrre un gas ultrafreddo di molecole di KRb a temperature nano-Kelvin. Semplicemente capovolgendo lo spin nucleare di una molecola di KRb hanno dimostrato che la reazione ultrafredda tra queste molecole può essere attivata o disattivata, un'illustrazione perfetta della chimica controllata su richiesta.

Ma i calcoli teorici della dinamica di reazione per tali sistemi rappresentano una sfida computazionale scoraggiante. I calcoli della reazione K + KRb forniscono nuove intuizioni sulla dinamica della reazione che non vengono rivelate negli esperimenti:le velocità di reazione risolte in rotazione mostrano una distribuzione statistica (Poisson).

Una scoperta affascinante del loro studio, Kendrick nota, è che mentre la reattività complessiva è governata dalle forze a lungo raggio, le popolazioni rotazionali della molecola prodotto K2 sono governate da dinamiche caotiche a corto raggio. "La dinamica caotica sembra essere una proprietà generale di tutte le reazioni ultrafredde che coinvolgono molecole alcaline pesanti, "ha detto Kendrick, "quindi le popolazioni rotazionali di tutte queste reazioni mostreranno la stessa distribuzione di Poisson".

Questo nuovo, la comprensione fondamentale delle reazioni ultrafredde guiderà le relative applicazioni tecnologiche nel controllo/informatica quantistica, misurazione e rilevamento di precisione importanti per le missioni di Los Alamos nella scienza e tecnologia dell'informazione e nella sicurezza globale.