Fysiker observerar sällsynt resonans i molekyler för första gången

Om det träffar precis rätt ton kan en sångare bryta ett vinglas. Anledningen är resonans. Medan glas kan vibrera något som svar på de flesta akustiska toner, kan en ton som resonerar med materialets naturliga frekvens skicka dess vibrationer till överväxling, vilket gör att glaset splittras.

Resonans förekommer också på den mycket mindre skalan av atomer och molekyler. När partiklar reagerar kemiskt beror det delvis på specifika förhållanden som resonerar med partiklarna på ett sätt som gör att de binder sig kemiskt. Men atomer och molekyler är ständigt i rörelse och lever i en oskärpa av tillstånd av vibration och rotation. Det var nästan omöjligt att bestämma det exakta resonanstillståndet som i slutändan får molekylerna att reagera.

MIT-fysiker kan ha löst en del av detta mysterium med en ny studie i tidskriften Natur. Teamet rapporterar att de för första gången har observerat en resonans kolliderade ultrakalla molekyler.

De upptäckte att ett moln av underkylda natrium-litium (NaLi) molekyler försvann 100 gånger snabbare än normalt när de exponerades för ett mycket specifikt magnetfält. Molekylernas snabba försvinnande är ett tecken på att magnetfältet har satt partiklarna i resonans, vilket får dem att reagera snabbare än de normalt skulle göra.

Upptäcktena har kastat ljus över de mystiska krafter som får molekyler att reagera kemiskt. De föreslår också att forskare en dag kan utnyttja partiklarnas naturliga resonanser för att styra och kontrollera vissa kemiska reaktioner.

“Detta är allra första gången som en resonans mellan två ultrakalla molekyler har observerats”, säger studieförfattaren Wolfgang Ketterle, John D. MacArthur professor i fysik vid MIT. “Det fanns förslag om att molekylerna är så komplicerade att de ser ut som en tät skog, där man inte kunde känna igen en enda resonans. Men vi hittade ett stort träd som stack ut, med en faktor 100. Vi hittade observerat något helt oväntat. .”

Ketterles medförfattare inkluderar huvudförfattare och MIT-student Juliana Park, doktorand Yu-Kun Lu, tidigare MIT postdoc Alan Jamison, som för närvarande är vid University of Waterloo, och Timur Tscherbul vid University of Nevada.

Ett medium mysterium

Inom ett moln av molekyler sker ständigt kollisioner. Partiklarna kan stöta in i varandra som frenetiska biljardbollar eller hålla ihop i ett kort men avgörande tillstånd som kallas ett “mellankomplex” som sedan utlöser en reaktion för att omvandla partiklarna till en ny kemisk struktur.

“När två molekyler kolliderar når de för det mesta inte det mellantillståndet”, säger Jamison. “Men när de är i resonans ökar hastigheten för att gå in i det tillståndet dramatiskt.”

“Det mellanliggande komplexet är mysteriet bakom all kemi”, tillägger Ketterle. “Vanligtvis är reaktanterna och produkterna av en kemisk reaktion kända, men inte hur den ena leder till den andra. Att veta något om molekylers resonans kan ge oss ett fingeravtryck av detta mystiska mellantillstånd.”

Ketterles grupp letade efter tecken på resonans i atomer och molekyler som är underkylda, vid temperaturer strax över absolut noll. Sådana ultrakalla förhållanden hämmar den slumpmässiga rörelsen av partiklar med temperatur, vilket ger forskare en bättre chans att känna igen några mer subtila tecken på resonans.

1998 gjorde Ketterle den första observationen av sådana resonanser i ultrakalla atomer. Han observerade att när ett mycket specifikt magnetfält applicerades på underkylda natriumatomer, ökade fältet hur atomerna sprids från varandra, i en effekt som kallas Feshbach-resonans. Sedan dess har han och andra sökt efter liknande resonanser i kollisioner som involverar både atomer och molekyler.

“Molekyler är mycket mer komplicerade än atomer”, säger Ketterle. “De har så många olika vibrations- och rotationstillstånd. Därför var det inte klart om molekylerna skulle visa resonanser.”

Nål i en höstack

För flera år sedan föreslog Jamison, då postdoc i Ketterles labb, ett liknande experiment för att se om tecken på resonans kunde ses i en blandning av atomer och molekyler kylda till en miljondels grad över absolut noll. Genom att variera a yttre magnetfältde upptäckte att de verkligen kunde fånga upp flera resonanser bland natriumatomer och natriumlitiummolekyler, vilket de rapporterade förra året.

Sedan, som teamet rapporterar i den här studien, tog doktorand Park en närmare titt på uppgifterna.

“Hon upptäckte att en av dessa resonanser inte involverade atomer,” förklarar Ketterle. “Hon sprängde atomerna med laserljus, och en resonans var fortfarande där, mycket tydlig, och bara involverade molekyler.”

Park fann att molekylerna verkade försvinna – ett tecken på att partiklarna hade genomgått en kemisk reaktion – mycket snabbare än de normalt skulle göra när de exponerades för ett mycket specifikt magnetfält.

I sitt ursprungliga experiment använde Jamison och hans kollegor en magnetiskt fält att de varierade över ett brett spektrum av 1000 Gausser. Park fann att natrium-litiummolekyler plötsligt försvinner, 100 gånger snabbare än normalt, i en liten del av detta magnetiska område, vid cirka 25 milli-Gaussian. Detta motsvarar bredden på ett människohår jämfört med en meter lång pinne.

“Det krävs noggranna mätningar för att hitta nålen i den höstacken,” säger Park. “Men vi använde en systematisk strategi för att zooma in på denna nya resonans.”

Till slut observerade teamet en stark signal som indikerar att just detta fält resonerar med molekylerna. Effekten ökade chanserna för att partiklarna skulle binda i ett kort mellanliggande komplex som sedan utlöste en reaktion som fick molekylerna att försvinna.

Sammantaget ger upptäckten insikt i molekylär dynamik och kemi. Även om teamet inte förutser att forskare kommer att kunna stimulera resonans och direkta reaktioner på nivån av organisk kemi, kan det en dag vara möjligt att göra det på kvantskala.

“Ett av kvantvetenskapens huvudteman är studiet av system med ökande komplexitet, särskilt där kvantkontroll är potentiellt i sikte”, säger John Doyle, professor i fysik vid Harvard University, som inte deltog i gruppens forskning. “Denna sorts resonanser, först sett i enkla atomer och senare i mer komplicerade atomer, har lett till fantastiska framsteg inom atomfysik. Nu när det ses i molekyler måste vi först förstå det i detalj. , sedan låta fantasin vandra och tänk vad det kan vara bra för, kanske bygga större ultrakylningar molekylerkanske studerar intressanta materiatillstånd.”