В группе Рудольфа Гримма (Rudolf Grimm) из Инсбрукского университета впервые удалось осуществить прямое наблюдение обменных химических процессов, протекающих в ультраохлажденном образце, содержащем атомы цезия и молекулы Фешбаха (Feshbach molecules).

Существенный прогресс в области контролируемых процессов, в которых участвую квантовые газы, дает новые возможности для изучения химических процессов, протекающих в ультраохлажденных средах.

На графике обозначены длины волн де Бройля
молекул Cs₂ в боровских радиусах

Сложные процессы, которые, в основном, нельзя наблюдать непосредственно, определяют когда в результате химической реакции образуются новые химические связи, а когда разрываются существующие. Ряд этих процессов может протекать с поглощением энергии (эндоэргические процессы), часть – выделением энергии (экзоэргические процессы).

Впервые прогресс в области ультраохлажденных атомных и молекулярных газов позволяет осуществлять элементарные химические реакции, полностью контролируя их таким образом, что все участники реакции можно было бы получить в определенном квантовом состоянии.

Лауреат премии Виттгенштейна (эта премия вручается Федеральным Министерством Науки и Исследований Австрии исследователям, возраст которых не превышает 50 лет, и предполагает пятилетнее финансирование исследовательских проектов на сумму до 1,5 млн. евро) Рудольф Гримм, давно является авторитетом в области исследования ультраохлажденных квантовых газов. Так, в 2002 году не без его участия физики впервые получили Бозе-Эйнштейновский конденсат из атомов цезия и конденсат Ферми. В настоящее время на основе ультрахолодных квантовых газов физики способны получить и более сложные молекулы.

В новом эксперименте Гримм с соавторами-физиками смог осуществить непосредственное наблюдение, а также энергетический контроль процесса обмена в квантовом газе. Исследователь заявляет, что его эксперимент доказывает возможность контролированного проведения процессов с участием ультраохлажденных молекул.

Схема реакции с участием молекулы (две синие сферы) и атома (красная сфера), которая завершается образованием новой молекулы

В ходе выполнения эксперимента исследователи использовали оптические щипцы для захвата атомов цезия, после чего они были существенно охлаждены. Взаимодействия Фешбаха привели к образованию ультрахолодного облака частиц, содержащего, около четырех тысяч молекул и тридцати тысяч атомов, часть атомов в облаке образовывала димеры. С помощью микроволновых импульсов атомы переводили из одного квантового состояния в другое, не затрагивая молекулы. После получения смеси молекул (A+A) и атомов (B) физики подействовали на облако ультраохлажденных молекул магнитным полем с определенной напряженностью, позволяющим контролировать энергию связывания молекул. Столкновение молекул и атомов приводит к протеканию обменного процесса при достижении определенного порогового значения энергии. Исходные молекулы распадаются на отдельные атомы (A), и образуются новые молекулы (A+B).

Рудольф Гримм поясняет, что незначительное количество энергии, выделяющееся в результате этой экзоэргической реакции обмена, позволяет продуктам реакции оставаться в оптической ловушке. По словам исследователя, его эксперимент впервые позволил осуществить непосредственное наблюдение химического процесса. По словам Гримма, полученные результаты открывают перед физиками широкие возможности для изучения разнообразных контролируемых процессов в ультраохлажденных квантовых газах.