Physiker steuern chemische Reaktionen durch Magnetfelder und Quanteninterferenz

Physiker des MIT-Harvard Center for Ultracold Atoms (CUA) haben einen neuen Ansatz entwickelt, um das Ergebnis chemischer Reaktionen zu kontrollieren. Dies geschieht traditionell mit Temperatur und chemischen Katalysatoren oder neuerdings mit externen Feldern (elektrische oder magnetische Felder oder Laserstrahlen).

Physiker des MIT CUA haben dem nun eine neue Wendung hinzugefügt: Sie haben winzige Änderungen in einem Magnetfeld genutzt, um subtile Änderungen an der quantenmechanischen Wellenfunktion der kollidierenden Teilchen während der chemischen Reaktion vorzunehmen. Sie zeigen, wie diese Technik Reaktionen auf ein anderes Ergebnis lenken kann: Reaktionen verstärken oder unterdrücken.

Dies war nur möglich, indem bei ultratiefen Temperaturen bei einem Millionstel Grad über dem absoluten Nullpunkt gearbeitet wurde, wo Kollisionen und chemische Reaktionen in einzelnen Quantenzuständen stattfinden. Ihre Forschung wurde in veröffentlicht Wissenschaft am 4. März.

MIT CUA-Forscher präparierten eine ultrakalte Wolke mit einer Mischung aus Natriumatomen und dem zweiatomigen Natrium-Lithium-Molekül in einem bestimmten Quantenzustand, in dem alle magnetischen Momente (oder Spins) der Elektronen durch ein starkes Magnetfeld ausgerichtet wurden.

Das Vorhandensein chemischer Reaktionen wurde anhand des Abfalls der Anzahl der verbleibenden Moleküle beobachtet. Als die Forscher das Magnetfeld variierten, stellten sie dramatische Veränderungen in der Rate der reaktiven Streuung fest, die zuvor noch nie beobachtet worden waren. Die Reaktionsgeschwindigkeit änderte sich aufgrund einer Resonanz zwischen zwei Quantenzuständen kollidierender Teilchen, die als Feshbach-Resonanz bezeichnet wird.

Wolfgang Ketterle, John D. MacArthur-Professor für Physik am MIT und Leiter des MIT CUA-Teams, erklärt: „Vor mehr als 20 Jahren beobachtete meine Gruppe die ersten Feshbach-Resonanzen in Bose-Einstein-Kondensaten, einer extremen, kalten Form von Atomen Es ist erstaunlich zu sehen, dass dieses Phänomen nun zur Kontrolle der Chemie genutzt werden kann.“

Die Schlüsselelemente sind Phasenänderungen der Wellenfunktion der Atome und Moleküle, wenn sie kollidieren. Kollisionen bei extrem niedrigen Temperaturen können mehrere Stöße hin und her beinhalten. Zwischen den Effekten dieser Reflexionen tritt Quanteninterferenz auf, die konstruktiv oder destruktiv sein kann (abhängig von der Phase der Wellenfunktion) und Reaktionen um Faktoren von etwa 100 verstärkt oder unterdrückt.

Hyungmok Son, ein ehemaliger Doktorand der CUA und Hauptautor der Studie, sagt: „Die Quanteninterferenz ist analog zur Interferenz von Licht in einem optischen Hohlraum oder einem Laserstrahl, der zwischen zwei Spiegeln aufprallt.“ Son konnte alle Beobachtungen mit ein paar einfachen Gleichungen erklären, die auf dieser optischen Analogie basierten. „Diese Analyse hat uns mikroskopische Informationen über den Prozess der reaktiven Streuung geliefert, die nicht nur aus Berechnungen gewonnen werden konnten“, fügt Son hinzu.

„Im Moment untersuchen wir einfache Systeme – ein zweiatomiges Molekül und ein Atom, weil größere Moleküle viel schwieriger zu kontrollieren und zu beschreiben wären. Das langfristige Ziel unserer Forschung ist es, unser Verständnis dafür zu verbessern, wie chemische Prozesse kontrolliert werden können in allgemeineren Systemen und Umgebungen“, fügt Ketterle hinzu.

Das Papier wurde von Son, Ketterle, den MIT-Doktoranden Juliana Park und Yukun Lu, dem ehemaligen Postdoc-Professor Alan Jamison von der University of Waterloo und Professor Tijs Karman von der Radboud University in Nijmegen, Niederlande, gemeinsam verfasst. Alle außer Karman sind oder waren Forscher am MIT-Harvard Center for Ultracold Atoms. Das MIT-Team ist dem MIT Department of Physics und dem Research Laboratory of Electronics (RLE) angegliedert.