Die Quantenchemie ist der Zweig der Chemie, der die Anwendungen der Quantenmechanik auf chemische Systeme erforscht. Untersuchungen auf diesem Gebiet können helfen, das Verhalten von Atompaaren oder -gruppen in einem Quantenzustand sowie die aus ihren Wechselwirkungen resultierenden chemischen Reaktionen besser zu verstehen.
Viele quantenchemische Studien untersuchten speziell die Wechselwirkungen zwischen Atompaaren in einem Quantenzustand. Während einige dieser Arbeiten interessante Einblicke sammelten, waren sie oft durch den Mangel an verfügbaren Techniken zur Beobachtung und Kontrolle der Ergebnisse einzelner Atomkollisionen begrenzt.
Forscher am Weizmann Institute of Science haben versucht, neue und fortschrittlichere Werkzeuge zu entwickeln, um die grundlegenden Wechselwirkungen zwischen einem einzelnen Atompaar zu untersuchen. In einem kürzlich veröffentlichten Artikel in Naturphysikstellten sie eine neue Technik auf der Grundlage der Quantenlogik vor, mit der Wechselwirkungen zwischen einem ultrakalten neutralen Atom und einem kalten Ion untersucht werden können.
„Wenn Atome auf kurze Distanzen hochgebracht werden, können sie mehrere Prozesse wie eine Energiefreisetzung oder eine chemische Reaktion durchlaufen, die von der Quantenmechanik gesteuert werden“, oder Katz, einer der Forscher, die die Studie durchgeführt haben und jetzt bei Duke sind Universität, sagte Phys.org. „Bisher entwickelte Methoden können verwendet werden, um diese Prozesse zu untersuchen, aber sie erfordern einen optischen Zugang und eine Kontrolle über mindestens eines der Atome, was wiederum die Atomspezies sowie die Menge der Wechselwirkungen, die in der Praxis untersucht werden können, stark einschränkt.“ Unsere Arbeit erleichtert diese Anforderung und ermöglicht es uns, die Wechselwirkung zwischen vielen Atompaaren mit nur einem einzigen zusätzlichen Atom zu untersuchen, das als Sonde fungiert.
Im Wesentlichen kühlten die Forscher ein Ionenpaar und eine Wolke aus neutralen Atomen per Laser und fingen es dann ein. Die Ionen wurden mithilfe elektromagnetischer Felder in einer Paul-Falle eingefangen. Die neutralen Atome hingegen waren in einem optischen Gitter gefangen, das sie nach Belieben in die Paul-Falle hinein- und wieder herausbringen konnten.
„Wir untersuchen die Wechselwirkung eines einzelnen ‚Chemie-Ions‘ mit einem neutralen Atom, indem wir den Abdruck auf dem zweiten ‚Logik-Ion‘ in der Falle messen, die als Sonde dient“, erklärte Katz. „Speziell, wenn das Chemie-Ion durch seine Wechselwirkung mit einem Atom in einem exothermen (Energie freisetzenden) Prozess Energie gewinnt, drückt es das „logische Ion“, was in unserer experimentellen Konfiguration zur Fluoreszenz von Licht führt. Nachweis dieses Fluoreszenzlichts aus das logische Ion enthüllt Informationen über den Prozess, den das andere Ion und Atom erfahren hat.“
Die jüngsten Arbeiten von Katz und seinen Kollegen eröffnen neue Möglichkeiten zur Untersuchung von Prozessen, die bisher nur schwer oder gar nicht experimentell untersucht werden konnten. Beispielsweise könnte die Technik, die sie in ihrer Arbeit einführten, verwendet werden, um neue Effekte zu messen, bei denen die Bewegung von Atom- und Ionenmerkmalen durch Quanteninterferenz gekennzeichnet ist. Mit zuvor entwickelten Werkzeugen wären diese Effekte sehr schwer zu beobachten und zu untersuchen.
„Ein Hinweis auf einen solchen Effekt ist bereits in dieser Arbeit zu sehen, der sich in der Differenz der Querschnitte widerspiegelt, die für die Wechselwirkung verschiedener Isotope von Sr+ mit 87Rb gemessen wird, aber die Technik ist nicht auf dieses Beispiel beschränkt und kann für Studien angewendet werden Quanteneffekte in vielen anderen Paaren“, fügte Katz hinzu. „Wir planen, die gleiche Technik anzuwenden, um weitere Prozesse zu untersuchen, wie den Austausch von Spins sowie chemische Reaktionen.“
Neben der Verwendung ihrer Technik zur Untersuchung anderer Prozesse planen Katz und seine Kollegen, weitere Beweise für Quanteninterferenzeffekte zu sammeln. Dies wird es ihnen ermöglichen, das Potenzial von auf Quantenmechanik basierenden Werkzeugen für die Untersuchung grundlegender Wechselwirkungen zwischen Atomen weiter zu bewerten.
Oder Katz et al, Quantenlogische Erkennung von Kollisionen zwischen einzelnen Atom-Ionen-Paaren, Naturphysik (2022). DOI: 10.1038/s41567-022-01517-y
Lothar Ratschbacher et al, Kontrolle chemischer Reaktionen eines einzelnen Teilchens, Naturphysik (2012). DOI: 10.1038/nphys2373
Tomas Sikorsky et al, Spin-kontrollierte Atom-Ionen-Chemie, Naturkommunikation (2018). DOI: 10.1038/s41467-018-03373-y
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