Aprovechando su nueva capacidad para inducir moléculas en gases ultrafríos para que interactúen entre sí a largas distancias, Los investigadores de JILA han utilizado una "perilla" eléctrica para influir en las colisiones moleculares y aumentar o disminuir drásticamente las tasas de reacción química.

Estos gases súper fríos siguen las aparentemente contraintuitivas reglas de la mecánica cuántica, con unidades exactas, o cuantos, de energía y movimientos a menudo exóticos. Por lo tanto, la capacidad de controlar las reacciones químicas en gases cuánticos estables podría permitir el diseño de nuevos productos químicos y gases, nuevas plataformas para computadoras cuánticas que utilizan moléculas como qubits (bits cuánticos) ricos en información, y nuevas herramientas para la medición de precisión como los relojes moleculares.

El avance se describe en la edición del 11 de diciembre de Ciencias . JILA es operado conjuntamente por el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) y la Universidad de Colorado Boulder.

"Las colisiones moleculares de nuestro experimento son muy mecánicas cuánticas, con sus trayectorias cuantificadas en términos de la forma en que pueden acercarse entre sí, Jun Ye, miembro de NIST / JILA, dijo:"Esto es muy diferente de un gas caliente en el que las moléculas pueden acercarse entre sí de forma aleatoria".

El nuevo trabajo sigue los muchos logros anteriores de Ye con gases cuánticos ultrafríos. En particular, el avance se basa en el esquema simplificado de JILA para empujar los gases moleculares hasta su estado de energía más bajo, llamada degeneración cuántica, en el que las moléculas comienzan a actuar como ondas superpuestas que interactúan.

Los últimos experimentos de JILA crearon un gas denso de decenas de miles de moléculas de potasio-rubidio dentro de un conjunto de seis electrodos. que los investigadores utilizaron para generar un campo eléctrico sintonizable. Las moléculas estaban confinadas en una pila de trampas láser en forma de panqueque llamada celosía óptica, pero eran libres de chocar dentro de cada panqueque, como gente patinando en una pista de hielo, Vosotros dijiste.

Las colisiones entre moléculas a menudo resultan en reacciones químicas que agotan rápidamente el gas. Sin embargo, El equipo de JILA descubrió que las moléculas podían "protegerse" de estas reacciones químicas girando una simple perilla:la fuerza del campo eléctrico. El blindaje se debe a que el campo eléctrico modifica las rotaciones e interacciones de las moléculas.

Las moléculas se repelen porque son fermiones, una clase de partículas que no pueden estar en el mismo estado cuántico y ubicación al mismo tiempo. Pero las moléculas pueden interactuar porque son polares, con una carga eléctrica positiva en el átomo de rubidio y una carga negativa en el átomo de potasio. Las cargas opuestas crean momentos dipolares eléctricos que son sensibles a los campos eléctricos. Cuando las moléculas chocan de cabeza a cola, con cargos opuestos, las reacciones químicas agotan rápidamente el gas. Cuando las moléculas chocan una al lado de la otra, se repelen.

El equipo de JILA comenzó preparando un gas en el que cada molécula giraba con exactamente una unidad cuántica de rotación. Por lo tanto, cada molécula actuó como una diminuta parte superior cuántica, girando alrededor de su eje, con solo ciertos valores de momento angular (o velocidades de rotación) permitidos por la mecánica cuántica. Al cambiar el campo eléctrico, los investigadores encontraron campos especiales ("resonancias") donde dos colisionan, las moléculas giratorias podrían intercambiar sus rotaciones, dejando una molécula girando dos veces más rápido y la otra sin girar en absoluto.

La capacidad de intercambiar rotaciones alteró por completo la naturaleza de las colisiones, haciendo que las fuerzas entre las moléculas en colisión cambien rápidamente de atractivas a repulsivas cerca de las resonancias. Cuando las interacciones entre moléculas eran repulsivas, las moléculas estaban protegidas de la pérdida, ya que rara vez se acercan lo suficiente para reaccionar químicamente. Cuando las interacciones eran atractivas, la velocidad de la reacción química se incrementó drásticamente.

Cerca de las resonancias, El equipo de JILA observó un cambio de casi mil veces en la velocidad de reacción química al ajustar la intensidad del campo eléctrico en solo un pequeño porcentaje. Con el escudo más fuerte, la velocidad de reacción química se redujo a una décima parte del valor de fondo normal, creando un establo, gas de larga duración.

Esta es la primera demostración del uso de un campo eléctrico para controlar de manera resonante cómo las moléculas interactúan entre sí. Los resultados experimentales coincidieron con las predicciones teóricas. Los investigadores de JILA esperan que sus técnicas sigan siendo efectivas sin la red óptica, lo que simplificará los esfuerzos futuros para crear gases moleculares hechos de otros tipos de átomos.