Basandosi sulla loro nuova capacità di indurre le molecole nei gas ultrafreddi ad interagire tra loro su lunghe distanze, I ricercatori di JILA hanno utilizzato una "manopola" elettrica per influenzare le collisioni molecolari e aumentare o ridurre drasticamente i tassi di reazione chimica.

Questi gas super-freddi seguono le regole apparentemente controintuitive della meccanica quantistica, con unità esatte, o quanti, di energia e movimenti spesso esotici. Così, la capacità di controllare le reazioni chimiche in gas quantistici stabili potrebbe consentire la progettazione di nuovi prodotti chimici e gas, nuove piattaforme per computer quantistici che utilizzano molecole come qubit ricchi di informazioni (bit quantistici), e nuovi strumenti per misurazioni di precisione come gli orologi molecolari.

L'anticipo è descritto nel numero dell'11 dicembre di Scienza . JILA è gestita congiuntamente dal National Institute of Standards and Technology (NIST) e dall'Università del Colorado Boulder.

"Le collisioni molecolari nel nostro esperimento sono molto meccaniche quantistiche, con le loro traiettorie tutte quantizzate nel modo in cui possono avvicinarsi, Il membro del NIST/JILA Jun Ye ha detto. "Questo è molto diverso da un gas caldo in cui le molecole possono avvicinarsi casualmente l'una all'altra".

Il nuovo lavoro fa seguito ai molti precedenti risultati di Ye con i gas quantistici ultrafreddi. In particolare, il progresso si basa sullo schema semplificato di JILA per portare i gas molecolari al loro stato energetico più basso, chiamata degenerazione quantistica, in cui le molecole iniziano ad agire come onde sovrapposte che interagiscono tutte.

Gli ultimi esperimenti JILA hanno creato un gas denso di decine di migliaia di molecole di potassio-rubidio all'interno di un gruppo di sei elettrodi, che i ricercatori hanno usato per generare un campo elettrico sintonizzabile. Le molecole sono state confinate in una pila di trappole laser a forma di pancake chiamata reticolo ottico, ma erano liberi di scontrarsi all'interno di ogni frittella, come chi pattina su una pista di pattinaggio, Hai detto.

Le collisioni tra le molecole spesso provocano reazioni chimiche che esauriscono rapidamente il gas. Però, il team di JILA ha scoperto che le molecole potrebbero essere "protette" da queste reazioni chimiche ruotando una semplice manopola:la forza del campo elettrico. La schermatura è dovuta al campo elettrico che modifica le rotazioni e le interazioni delle molecole.

Le molecole si respingono perché sono fermioni, una classe di particelle che non possono trovarsi nello stesso stato quantistico e nella stessa posizione allo stesso tempo. Ma le molecole possono interagire perché sono polari, con una carica elettrica positiva all'atomo di rubidio e una carica negativa all'atomo di potassio. Le cariche opposte creano momenti di dipolo elettrico sensibili ai campi elettrici. Quando le molecole si scontrano testa a coda, con accuse contrarie, le reazioni chimiche esauriscono rapidamente il gas. Quando le molecole si scontrano fianco a fianco, si respingono.

Il team JILA ha iniziato preparando un gas in cui ogni molecola ruotava con esattamente un'unità quantistica di rotazione. Così, ogni molecola ha agito come un minuscolo top quantico, ruotando attorno al proprio asse, con solo determinati valori di momento angolare (o velocità di rotazione) consentiti dalla meccanica quantistica. Modificando il campo elettrico, i ricercatori hanno trovato campi speciali ("risonanze") in cui due collidono, le molecole rotanti potrebbero scambiare le loro rotazioni, lasciando una molecola che gira due volte più velocemente e l'altra che non gira affatto.

La capacità di scambiare rotazioni ha completamente alterato la natura delle collisioni, facendo sì che le forze tra le molecole in collisione cambino rapidamente da attrattive a repulsive vicino alle risonanze. Quando le interazioni tra le molecole erano repulsive, le molecole erano protette dalla perdita, poiché raramente si avvicinavano abbastanza da reagire chimicamente. Quando le interazioni erano attraenti, la velocità di reazione chimica è stata notevolmente migliorata.

Vicino alle risonanze, il team JILA ha osservato un cambiamento di quasi mille volte nella velocità di reazione chimica quando si regolava l'intensità del campo elettrico solo di qualche punto percentuale. Con la schermatura più forte, la velocità di reazione chimica è stata ridotta a un decimo del normale valore di fondo, creare una stalla, gas di lunga durata.

Questa è la prima dimostrazione dell'uso di un campo elettrico per controllare in modo risonante come le molecole interagiscono tra loro. I risultati sperimentali concordavano con le previsioni teoriche. I ricercatori JILA si aspettano che le loro tecniche rimangano efficaci senza il reticolo ottico, che semplificherà gli sforzi futuri per creare gas molecolari fatti di altri tipi di atomi.