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重大突破!物理学家制备了一种超冷云,通过磁场和量子干涉控制化学反应

2022年3月17日

近日,麻省理工学院-哈佛超冷原子中心 (CUA) 的物理学家开发了一种控制化学反应结果的新方法,利用磁场的微小变化,在化学反应过程中对碰撞粒子的量子力学波函数进行细微的改变。这通常使用温度和化学催化剂来完成,或者最近使用外部场(电场、磁场,或激光束)来完成。

 

 

图片来源:凯特尔集团/麻省理工学院 CUA

 

麻省理工学院 CUA 的物理学家现在为此添加了一个新的转折点:他们利用磁场的微小变化对化学反应过程中碰撞粒子的量子力学波函数进行了细微的改变。他们展示了这种技术如何将反应引导到不同的结果:增强或抑制反应。

 

这只有通过在绝对零以上百万分之一度的超低温下工作才能实现,其中碰撞和化学反应以单量子态发生。

 

麻省理工学院 CUA 研究人员制备了一种超冷云,其中钠原子和双原子钠锂分子的混合物处于特定量子态,其中电子的所有磁矩(或自旋)都通过强磁场排列。

 

从剩余分子数量的衰减观察到化学反应的存在。当研究人员改变磁场时,他们发现反应散射速率发生了前所未有的剧烈变化。反应速率的变化是由于碰撞粒子的两个量子态之间的共振,称为 Feshbach 共振。

 

 

麻省理工学院约翰·D·麦克阿瑟物理学教授、麻省理工学院 CUA 团队负责人 Wolfgang Ketterle 解释说:“20 多年前,我的团队在玻色-爱因斯坦凝聚体中观察到了第一个 Feshbach 共振,这是一种极端、冷的原子形式问题。令人惊讶的是,这种现象现在可以用来控制化学。”

 

关键要素是原子和分子碰撞时波函数的相位变化。超低温下的碰撞可能涉及多次来回反弹。量子干涉发生在这些反弹的影响之间,可以是建设性的也可以是破坏性的(取决于波函数的相位),并以大约 100 的因数增强或抑制反应。

 

该研究的主要作者、CUA 的前研究生 Hyungmok Son 说:“量子干涉类似于光腔中的光干涉,或者激光束在两个镜子之间反弹。这项分析为我们提供了有关反应散射过程的微观信息,这些信息不能仅通过计算获得。”

 

“现在,我们正在研究简单的系统——双原子分子和原子,因为更大的分子更难控制和描述。我们研究的长期目标是提高我们对如何控制化学过程的理解在更一般的系统和环境中,”凯特勒补充道。

 

该论文由 Son、Ketterle、麻省理工学院研究生 Juliana Park 和 Yukun Lu、滑铁卢大学前博士后教授 Alan Jamison 和荷兰奈梅亨拉德布德大学 Tijs Karman 教授共同撰写。除了卡门之外,其他所有人都是或曾经是麻省理工学院-哈佛超冷原子中心的研究人员。麻省理工学院团队隶属于麻省理工学院物理系和电子研究实验室(RLE)。

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