S'appuyant sur leur nouvelle capacité à induire des molécules dans des gaz ultrafroids à interagir les unes avec les autres sur de longues distances, Les chercheurs du JILA ont utilisé un « bouton » électrique pour influencer les collisions moléculaires et augmenter ou réduire considérablement les taux de réaction chimique.

Ces gaz super froids suivent les règles apparemment contre-intuitives de la mécanique quantique, avec des unités exactes, ou quanta, d'énergie et de mouvements souvent exotiques. Ainsi, la capacité de contrôler les réactions chimiques dans les gaz quantiques stables pourrait permettre la conception de nouveaux produits chimiques et gaz, de nouvelles plateformes pour ordinateurs quantiques utilisant des molécules comme qubits riches en informations (bits quantiques), et de nouveaux outils de mesure de précision tels que les horloges moléculaires.

L'avance est décrite dans le numéro du 11 décembre de Science . JILA est géré conjointement par le National Institute of Standards and Technology (NIST) et l'Université du Colorado Boulder.

"Les collisions moléculaires dans notre expérience sont très mécaniques quantiques, avec leurs trajectoires toutes quantifiées par la manière dont ils peuvent se rapprocher, ", a déclaré Jun Ye, membre du NIST/JILA. "C'est très différent d'un gaz chaud où les molécules peuvent s'approcher de manière aléatoire."

Le nouveau travail fait suite aux nombreuses réalisations précédentes de Ye avec des gaz quantiques ultrafroids. En particulier, l'avance s'appuie sur le schéma simplifié de JILA pour pousser les gaz moléculaires à leur état d'énergie le plus bas, appelée dégénérescence quantique, dans lequel les molécules commencent à agir comme des ondes superposées qui interagissent toutes.

Les dernières expériences JILA ont créé un gaz dense de dizaines de milliers de molécules de potassium-rubidium dans un assemblage de six électrodes, que les chercheurs utilisaient pour générer un champ électrique accordable. Les molécules étaient confinées dans un empilement de pièges laser en forme de galette appelé réseau optique, mais étaient libres de se heurter à chaque crêpe, comme les gens qui patinent sur une patinoire, Vous avez dit.

Les collisions entre les molécules entraînent souvent des réactions chimiques qui épuisent rapidement le gaz. Cependant, l'équipe JILA a découvert que les molécules pouvaient être "protégées" de ces réactions chimiques en tournant un simple bouton - la force du champ électrique. Le blindage est dû au champ électrique modifiant les rotations et les interactions des molécules.

Les molécules se repoussent car ce sont des fermions, une classe de particules qui ne peuvent pas être dans le même état quantique et le même emplacement en même temps. Mais les molécules peuvent interagir car elles sont polaires, avec une charge électrique positive à l'atome de rubidium et une charge négative à l'atome de potassium. Les charges opposées créent des moments dipolaires électriques sensibles aux champs électriques. Lorsque les molécules se heurtent tête-bêche, avec des accusations opposées, les réactions chimiques épuisent rapidement le gaz. Lorsque les molécules entrent en collision côte à côte, ils se repoussent.

L'équipe JILA a commencé par préparer un gaz dans lequel chaque molécule tournait avec exactement une unité quantique de rotation. Ainsi, chaque molécule agissait comme un minuscule sommet quantique, tournant autour de son axe, avec seulement certaines valeurs de moment cinétique (ou vitesses de rotation) autorisées par la mécanique quantique. En changeant le champ électrique, les chercheurs ont trouvé des champs spéciaux ("résonances") où deux collisions, les molécules en rotation pourraient échanger leurs rotations, laissant une molécule tourner deux fois plus vite et l'autre pas du tout.

La possibilité d'échanger des rotations a complètement modifié la nature des collisions, provoquant le passage rapide des forces entre les molécules en collision d'attrayantes à répulsives près des résonances. Lorsque les interactions entre les molécules étaient répulsives, les molécules étaient protégées de la perte, car ils s'approchaient rarement assez près pour réagir chimiquement. Lorsque les interactions étaient attrayantes, la vitesse de réaction chimique a été considérablement améliorée.

Près des résonances, l'équipe JILA a observé un changement de près d'un millier de la vitesse de réaction chimique lors du réglage de l'intensité du champ électrique de quelques pour cent seulement. Avec le blindage le plus solide, la vitesse de réaction chimique a été réduite à un dixième de la valeur de fond normale, créer une écurie, gaz à longue durée de vie.

Il s'agit de la première démonstration de l'utilisation d'un champ électrique pour contrôler par résonance la façon dont les molécules interagissent les unes avec les autres. Les résultats expérimentaux étaient en accord avec les prédictions théoriques. Les chercheurs du JILA s'attendent à ce que leurs techniques restent efficaces sans le réseau optique, ce qui simplifiera les efforts futurs pour créer des gaz moléculaires constitués d'autres types d'atomes.