Квантовая химия — это отрасль химии, изучающая применение квантовой механики к химическим системам. Исследования в этой области могут помочь лучше понять поведение пар или групп атомов в квантовом состоянии, а также химические реакции, возникающие в результате их взаимодействия.
Многие исследования в области квантовой химии специально изучали взаимодействие между парами атомов в квантовом состоянии. Хотя некоторые из этих работ собрали интересные сведения, они часто были ограничены отсутствием доступных методов наблюдения и контроля результатов столкновений отдельных атомов.
Исследователи из Научного института Вейцмана пытаются разработать новые и более совершенные инструменты для изучения основных взаимодействий между одной парой атомов. В работе, недавно опубликованной в журнале Nature Physics, они представили новый метод, основанный на квантовой логике, который может быть использован для изучения взаимодействий между ультрахолодным нейтральным атомом и холодным ионом.
«Когда атомы сближаются на небольшие расстояния, они могут испытывать несколько процессов, таких как выделение энергии или химическая реакция, которые регулируются квантовой механикой», — рассказал Phys.org Ор Кац, один из исследователей, проводивших исследование, который сейчас работает в Университете Дьюка. «Ранее разработанные методы могут быть использованы для изучения этих процессов, но они требуют оптического доступа и контроля хотя бы одного из атомов, что в свою очередь сильно ограничивает атомные виды, а также набор взаимодействий, которые могут быть изучены на практике. Наша работа смягчает это требование и позволяет изучать взаимодействие между многими парами атомов, используя всего один дополнительный атом, который выступает в качестве зонда».
По сути, исследователи охлаждали лазером, а затем помещали в ловушку пару ионов и облако нейтральных атомов. Ионы были пойманы в ловушку Пола с помощью электромагнитного поля. Нейтральные атомы, с другой стороны, были пойманы в оптическую решетку, которую можно было по желанию вводить и выводить из ловушки Пауля.
Мы изучаем взаимодействие одного «химического иона» с одним нейтральным атомом, измеряя отпечаток на втором «логическом ионе» в ловушке, который выступает в качестве зонда», — пояснил Кац. «В частности, когда химический ион набирает энергию при взаимодействии с атомом в экзотермическом (высвобождающем энергию) процессе, он толкает «логический ион», который в нашей экспериментальной конфигурации, как следствие, флуоресцирует светом. Обнаружение этого флуоресцентного света от логического иона позволяет получить информацию о процессе, который пережили другие ионы и атомы».
Недавняя работа Каца и его коллег открывает новые возможности для изучения процессов, которые ранее было трудно или невозможно исследовать экспериментально. Например, техника, представленная в их работе, может быть использована для измерения новых эффектов, в которых движение атомов и ионов характеризуется квантовой интерференцией. С помощью ранее разработанных инструментов эти эффекты было бы очень трудно наблюдать и исследовать.
«Один намек на такой эффект уже виден в этой работе, отраженный в разнице сечений, измеренных для взаимодействия различных изотопов Sr+ с 87Rb, но техника не ограничивается этим примером и может быть применена для изучения квантовых эффектов во многих других парах», — добавил Кац. «Мы планируем применить ту же методику для изучения дополнительных процессов, таких как обмен спинами, а также химических реакций».
Помимо использования своей методики для изучения других процессов, Кац и его коллеги планируют собрать больше доказательств эффектов квантовой интерференции. Это позволит им в дальнейшем оценить потенциал инструментов, основанных на квантовой механике, для изучения фундаментальных взаимодействий между атомами.
