Una “manopola” elettrica per regolare la velocità di reazione chimica nei gas

Basandosi sulla loro ritrovata capacità di indurre le molecole in gas ultrafreddi ad interagire tra loro su lunghe distanze, i ricercatori JILA hanno utilizzato una “manopola” elettrica per influenzare le collisioni molecolari e aumentare o diminuire drasticamente le velocità di reazione chimica.

Questi gas super freddi seguono le regole apparentemente controintuitive della meccanica quantistica, con unità esatte, o quanti, di energia e movimenti spesso esotici. Pertanto, la capacità di controllare le reazioni chimiche in gas quantistici stabili potrebbe consentire la progettazione di nuovi prodotti chimici e gas, nuove piattaforme per computer quantistici che utilizzano molecole come qubit ricchi di informazioni (bit quantistici) e nuovi strumenti per la misurazione di precisione come gli orologi molecolari. Lo studio è stato pubblicato su Science.

JILA è gestita congiuntamente dal National Institute of Standards and Technology (NIST) e dall’Università del Colorado Boulder. Il nuovo lavoro fa seguito ai precedenti risultati con i gas quantici ultrafreddi. In particolare, il progresso si basa sullo schema semplificato di JILA per spingere i gas molecolari al loro stato energetico più basso, chiamato degenerazione quantistica, in cui le molecole iniziano ad agire come onde sovrapposte che interagiscono fra loro.

Sfruttare il campo elettrico per influenzare le reazioni chimiche nei gas quantistici

Gli ultimi esperimenti JILA hanno creato un gas denso di decine di migliaia di molecole di potassio-rubidio all’interno di un gruppo a sei elettrodi, che i ricercatori hanno utilizzato per generare un campo elettrico sintonizzabile. Le molecole erano confinate in una pila di trappole laser a forma di frittella chiamate reticolo ottico, ma erano libere di scontrarsi all’interno di ciascuna frittella, come le persone che pattinano su una pista di pattinaggio.

Le collisioni tra le molecole spesso provocano reazioni chimiche che riducono rapidamente il gas. Tuttavia, il team JILA ha scoperto che le molecole potrebbero essere “schermate” da queste reazioni chimiche ruotando una semplice manopola: la forza del campo elettrico. La schermatura è dovuta al campo elettrico che modifica le rotazioni e le interazioni delle molecole.

Le molecole si respingono a vicenda perché sono fermioni, una classe di particelle che non possono trovarsi nello stesso stato e posizione quantistica allo stesso tempo. Ma le molecole possono interagire perché sono polari, con una carica elettrica positiva all’atomo di rubidio e una carica negativa all’atomo di potassio. Le cariche opposte creano momenti di dipolo elettrico sensibili ai campi elettrici. Quando le molecole si scontrano testa a coda, con cariche opposte, le reazioni chimiche esauriscono rapidamente il gas. Quando le molecole entrano in collisione fianco a fianco, si respingono a vicenda.

Scambiare le rotazioni delle molecole

Il team JILA ha iniziato preparando un gas in cui ogni molecola girava con esattamente un’unità quantistica di rotazione. Pertanto, ogni molecola ha agito come una minuscola sommità quantistica, ruotando attorno al proprio asse, con solo determinati valori di momento angolare (o velocità di rotazione) consentiti dalla meccanica quantistica. Modificando il campo elettrico, i ricercatori hanno scoperto campi speciali (“risonanze”) in cui due molecole in rotazione e in collisione potevano scambiare le loro rotazioni, lasciando una molecola che girava due volte più velocemente e l’altra che non girava affatto.

La capacità di scambiare le rotazioni ha completamente alterato la natura delle collisioni, facendo sì che le forze tra le molecole in collisione cambino rapidamente da attraenti a repulsive vicino alle risonanze. Quando le interazioni tra le molecole erano repulsive, le molecole erano protette dalla perdita, poiché raramente si avvicinavano abbastanza da reagire chimicamente. Quando le interazioni erano attraenti, la velocità di reazione chimica era notevolmente aumentata.

Vicino alle risonanze, il team JILA ha osservato un cambiamento quasi mille volte nella velocità di reazione chimica durante la regolazione dell’intensità del campo elettrico solo di una piccola percentuale. Con la schermatura più forte, la velocità di reazione chimica è stata ridotta a un decimo del valore di fondo normale, creando un gas stabile e di lunga durata.

Questa è la prima dimostrazione dell’uso di un campo elettrico per controllare in modo risonante il modo in cui le molecole interagiscono tra loro. I risultati sperimentali concordavano con le previsioni teoriche. I ricercatori JILA si aspettano che le loro tecniche rimangano efficaci senza il reticolo ottico, il che semplificherà gli sforzi futuri per creare gas molecolari costituiti da altri tipi di atomi.

Foto di MasterTux da Pixabay