Скорость химических реакций зависит от квантового состояния ядра
Последние эксперименты ученых из University of Maryland, National Institute of Standards and Technology и University of Warsaw показывают зависимость скорости химических реакций от квантового состояния ядер атомов, вступающих в эту реакцию.
В последнее время практическая наука значительно продвинулась в навыках охлаждения атомов до ультранизких температур, где правят квантовые эффекты. К 2008 году ученые научились получать даже достаточное количество связанных пар ультрахолодных атомов (атомов, у которых связь была достаточно сильная, чтобы именоваться полноценными молекулами). В результате охлаждения каждая из этих молекул находится в самом низком энергетическом состоянии, а температура молекулы, соответствующая всем степеням свободы, не превышает 1 миллионную долю градуса по шкале Кельвина.
Распределение Бозе-Эйнштейна для ультрахолодных атомов 14 лет назад вызвала много шума в научном мире, за что было удостоено Нобелевской премии. Не меньшего шума ожидали и от эффектов, связанных с ультрахолодными молекулами. Еще интересным моментом было понимание того, как ультрахолодные молекулы будут взаимодействовать между собой. Известно, что в обычных условиях влияния квантовых состояний ядер на химические реакции не заметны. Однако, как оказалось, это не верно для ультрахолодных атомов.
С целью изучения этого взаимодействия ученые из University of Maryland и National Institute of Standards and Technology измерили скорость, с которой молекулы RbK обменивались атомами, формируя молекулы рубидия Rb2 и калия K2. Оказалось, что скорость обмена атомами в значительной степени зависит от направления вращения ядер (т.е., фактически, квантового состояния ядер). Если направления совпадают, скорость реакции была в 100 раз меньше, чем в ситуации, когда они разнонаправлены.
После завершения экспериментальной фазы, группа объединилась с коллегой из University of Warsaw, чтобы сформировать теоретический базис для полученных результатов и формально рассчитать скорость химических реакций при ультранизких температурах. Разработанную теорию они опубликовали в журнале Physical Review Letters.
Учитывая чрезвычайно низкие температуры, выполненный расчет вовлекал такие параметры, как квантовые состояния ядер атомов и волновые свойства молекул. Теоретический результат подтвердил эксперимент: когда две молекулы, охлажденные до ультранизких температур, взаимодействуют друг с другом в рамках некой химической реакции, на ее скорость существенно влияют квантовые состояния ядер входящих в молекулы атомов. Имеют значение ориентации вращения ядер, т.к. эти частицы ведут себя как фермионы (не допуская для частиц двух одинаковых состояний).
Наиболее удивительным выводом из проведенных расчетов оказалось то, что итоговый результат не зависит от химии. Универсальность решения удивила даже самих исследователей. К слову, группа показала, что итоговая скорость реакции зависит не только от состояния непосредственно перед химической реакцией, но и от состояний молекул на некоторых промежуточных расстояниях.
Понимание взаимодействия ультрахолодных молекул чрезвычайно важно для дальнейшего развития данного раздела практической науки. В самом ближайшем будущем эта теория может найти применение в квантовых компьютерах.
