Впервые выявлены квантовые эффекты в холодной химии

При очень низких температурах, близких к абсолютному нулю, химические реакции могут протекать значительно интенсивней, чем в классической химии.

Все потому, что при охлаждении на сцене появляются квантовые эффекты. Группа ученых из института Вайзмана доказала это экспериментально. Их результаты не только могут обеспечить понимание процессов в загадочном квантовом мире, в котором частицы обладают свойствами волн, но и объяснить, как химические реакции протекают на холодных просторах межзвездного пространства.

Давние прогнозы гласят, что квантовые эффекты должны позволить формирование переходной связи — той, что вынуждает охлажденные молекулы и атомы вращаться вокруг друг друга вместо того, чтобы разделиться после охлаждения. Такое состояние весьма важно, поскольку орбитальные атомы и молекулы обладают умноженными шансами на химическое взаимодействие. В этой теории реакция с низкой вероятностью существования при определенных энергиях протекает молниеносно.

Доктор Эд Наревичус с коллегами впервые экспериментально подтвердили это неуловимое протекание реакции, которую ученые провели при пугающе низких температурах, лишь на долю градуса выше абсолютного нуля: 0,01 по Кельвину. Результаты исследования опубликованы в издании Science.

«Проблема в том, что в классической химии мы думаем о реакциях с точки зрения столкнувшихся бильярдных шаров, скрепляемых вместе пружинами на молекулярном уровне», сказал Наревичус. „В классической картине реакционные барьеры препятствуют сближению этих бильярдных шаров, тогда как в квантовом мире частицы через них легко проникают, поскольку приобретают волноподобные качества при ультранизких температурах“.

Поиски квантовых эффектов в химических реакциях начались более полувека назад с экспериментов Дадли Хершбаха и Юаня Цзели, которые позже получили за свою работу Нобелевскую премию. Они успешно наблюдали химические реакции в беспрецедентном разрешении, сталкивая два низкотемпературных сверхзвуковых луча. Как бы то ни было, столкновения происходили на относительных скоростях, которые были слишком высокими для наблюдения множества квантовых эффектов. Когда два быстрых луча сталкиваются, относительная скорость повышает температуру за 100 градусов по Кельвину, а это слишком тепло, чтобы квантовые эффекты могли играть существенную роль. За эти году ученые использовали различные методы, включая изменение угла лучей и замедление их почти до полной остановки. Им даже удалось снизить температуру реакции почти до пяти градусов по Кельвину — близко, но все еще недостаточно, чтобы наблюдать химические реакции в квантовых условиях.

Новшество Наревичуса с коллегами в том, что лучи они фактически слили, а не столкнули. Один луч производился по прямой, а второй изгибался с помощью магнита так, чтобы только не быть параллельным первому. И тогда даже при том, что лучи двигались быстро, относительная скорость одних частиц по отношению к другим оказалась нулевой. Так удалось достичь температуры реакции в 0,01 градус по Кельвину. Один из лучей содержал атомы гелия, а другой атомы аргона или молекулы водорода. В последующей химической реакции аргон и водород ионизировались, выпустив электроны.

Чтобы увидеть, появились ли квантовые эффекты, ученые проанализировали скорость реакции при различных энергиях столкновения. При высоких энергиях классические эффекты доминировали, а уровни реакции замедлялись постепенно с падением температуры. Однако уже ниже 3 градусов по Кельвину интенсивность реакции в слитых лучах внезапно повысилась. Это был явный признак квантового явление, известного как резонанс рассеяния вследствие появления туннелирования в реакциях. При низких энергиях частицы стали вести себя как волны: те волны, что были способны туннелировать через потенциальный барьер, конструктивно взаимодействовали с отраженными волнами. Это создало постоянную волну, которая соответствует пойманным в ловушку на орбитах друг друга частицам. Подобное взаимодействие происходит при специфических энергиях и отмечается драматическим увеличением интенсивности реакции.

„Наш эксперимент — первое доказательство того, что интенсивность реакции способна драматично меняться в холодном режиме. Мы показали, что подобные измерения могут служить ультрачувствительным анализом динамики реакции. Наши наблюдения уже показали, что понимание даже самой простой реакции ионизации до сих пор не полно; все это требует полного пересмотра прежнего мнения и формирования более совершенных теоретических моделей. Мы ожидаем, что наш метод будет использован для решения множества загадок в реакциях, особенно в области межзвездной химии, которая в целом происходит при ультранизких температурах“.

12.10.2012