Les chercheurs ont réalisé la toute première simulation de mécanique quantique de la réaction chimique ultrafroide de référence entre le potassium-rubidium (KRb) et un atome de potassium, ouvrant la porte à de nouvelles expériences de chimie contrôlée et au contrôle quantique des réactions chimiques qui pourraient déclencher des avancées dans les technologies de l'informatique et de la détection quantiques. Les recherches d'une équipe multi-institutionnelle ont simulé la réaction chimique ultrafroide, avec des résultats qui n'avaient pas été révélés dans les expériences.

"Nous avons constaté que la réactivité globale est largement insensible à la dynamique chaotique sous-jacente du système, " a déclaré Brian Kendrick de la division théorique du Laboratoire national de Los Alamos, "Cette observation a des implications importantes pour le développement de la chimie contrôlée et pour les applications technologiques des molécules ultrafroides, de la mesure de précision à l'informatique quantique."

La recherche a abordé des questions ouvertes quant à savoir si les réactions chimiques se produisent à un milliardième de degré au-dessus du zéro absolu et si le résultat peut être contrôlé. Les scientifiques du monde entier abordent ces questions expérimentalement en refroidissant et en piégeant des atomes et des molécules à des températures proches du zéro absolu et en leur permettant d'interagir chimiquement. Ce domaine de la chimie, largement appelée chimie ultrafroide, est devenu un foyer pour les expériences de chimie contrôlée et le contrôle quantique des réactions chimiques, le Saint Graal de la chimie.

Dans une expérience pionnière en 2010, des groupes du JILA du Colorado (anciennement connu sous le nom de Joint Institute for Laboratory Astrophysics) ont pu produire un gaz ultrafroid de molécules de KRb à des températures nano-Kelvin. En renversant simplement le spin nucléaire d'une molécule de KRb, ils ont démontré que la réaction ultrafroide entre ces molécules pouvait être activée ou désactivée, une illustration parfaite d'une chimie contrôlée à la demande.

Mais les calculs théoriques de la dynamique de réaction pour de tels systèmes posent un défi informatique de taille. Les calculs de la réaction K + KRb fournissent de nouvelles informations sur la dynamique de réaction qui n'est pas révélée dans les expériences - que les taux de réaction résolus par rotation présentent une distribution statistique (Poisson).

Une conclusion fascinante de leur étude, Kendrick note, est que tandis que la réactivité globale est régie par les forces à longue portée, les populations rotationnelles de la molécule de produit K2 sont régies par une dynamique chaotique à courte distance. "La dynamique chaotique semble être une propriété générale de toutes les réactions ultrafroides impliquant des molécules alcalines lourdes, " dit Kendrick, "ainsi, les populations rotationnelles de toutes ces réactions présenteront la même distribution de Poisson."

Ce nouveau, la compréhension fondamentale des réactions ultrafroides guidera les applications technologiques connexes en contrôle/informatique quantique, mesure et détection de précision importantes pour les missions de Los Alamos dans les sciences et technologies de l'information et la sécurité mondiale.