Com base em sua recém-descoberta capacidade de induzir moléculas em gases ultracold para interagir umas com as outras a longas distâncias, Os pesquisadores da JILA usaram um "botão" elétrico para influenciar as colisões moleculares e aumentar ou diminuir drasticamente as taxas de reação química.

Esses gases superfrios seguem as regras aparentemente contra-intuitivas da mecânica quântica, apresentando unidades exatas, ou quanta, de energia e movimentos frequentemente exóticos. Assim, a capacidade de controlar reações químicas em gases quânticos estáveis ​​pode permitir o projeto de novos produtos químicos e gases, novas plataformas para computadores quânticos usando moléculas como qubits ricos em informações (bits quânticos), e novas ferramentas para medição de precisão, como relógios moleculares.

O avanço está descrito na edição de 11 de dezembro da Ciência . A JILA é operada em conjunto pelo Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia (NIST) e pela Universidade de Colorado Boulder.

"As colisões moleculares em nosso experimento são muito mecânicas quânticas, com suas trajetórias todas quantizadas em termos da forma como eles podem se aproximar, "NIST / JILA Fellow Jun Ye disse." Isso é muito diferente de um gás quente, onde as moléculas podem se aproximar umas das outras aleatoriamente. "

O novo trabalho segue as muitas realizações anteriores de Ye com gases quânticos ultracold. Em particular, o avanço se baseia no esquema simplificado da JILA para reduzir os gases moleculares ao seu estado de energia mais baixo, chamada degenerescência quântica, em que as moléculas passam a agir como ondas sobrepostas que interagem.

Os últimos experimentos da JILA criaram um gás denso de dezenas de milhares de moléculas de potássio-rubídio em um conjunto de seis eletrodos, que os pesquisadores usaram para gerar um campo elétrico sintonizável. As moléculas foram confinadas em uma pilha de armadilhas a laser em forma de panqueca chamada rede óptica, mas estavam livres para colidir dentro de cada panqueca, como pessoas patinando em uma pista de gelo, Ye disse.

As colisões entre as moléculas geralmente resultam em reações químicas que esgotam rapidamente o gás. Contudo, a equipe do JILA descobriu que as moléculas podem ser "protegidas" dessas reações químicas girando um botão simples - a força do campo elétrico. A blindagem se deve ao campo elétrico modificando as rotações e interações das moléculas.

As moléculas se repelem porque são férmions, uma classe de partículas que não podem estar no mesmo estado quântico e localização ao mesmo tempo. Mas as moléculas podem interagir porque são polares, com carga elétrica positiva no átomo de rubídio e carga negativa no átomo de potássio. As cargas opostas criam momentos de dipolo elétrico que são sensíveis a campos elétricos. Quando as moléculas colidem cabeça com cauda, com acusações opostas, as reações químicas esgotam rapidamente o gás. Quando as moléculas colidem lado a lado, eles se repelem.

A equipe JILA começou preparando um gás em que cada molécula girava com exatamente uma unidade quântica de rotação. Assim, cada molécula agia como um minúsculo topo quântico, girando em torno de seu eixo, com apenas certos valores de momento angular (ou velocidades de rotação) permitidos pela mecânica quântica. Ao mudar o campo elétrico, os pesquisadores encontraram campos especiais ("ressonâncias") onde dois colidem, moléculas giratórias poderiam trocar suas rotações, deixando uma molécula girando duas vezes mais rápido e a outra nem girando.

A capacidade de trocar rotações alterou completamente a natureza das colisões, fazendo com que as forças entre as moléculas em colisão mudem rapidamente de atraentes para repulsivas perto das ressonâncias. Quando as interações entre as moléculas eram repulsivas, as moléculas foram protegidas contra perdas, uma vez que raramente chegam perto o suficiente para reagir quimicamente. Quando as interações eram atraentes, a taxa de reação química foi dramaticamente aumentada.

Perto das ressonâncias, a equipe da JILA observou uma mudança de quase mil vezes na taxa de reação química ao ajustar a intensidade do campo elétrico em apenas alguns pontos percentuais. Com a blindagem mais forte, a taxa de reação química foi reduzida para um décimo do valor normal de fundo, criando um estábulo, gás de longa vida.

Esta é a primeira demonstração do uso de um campo elétrico para controlar ressonantemente como as moléculas interagem umas com as outras. Os resultados experimentais concordaram com as previsões teóricas. Os pesquisadores da JILA esperam que suas técnicas permaneçam eficazes sem a rede óptica, que simplificará os esforços futuros para criar gases moleculares feitos de outros tipos de átomos.