Химики заставили два атома прореагировать друг с другом

Курамшин А.И.
(«ХиЖ», 2018, №6)

pic_2018_06_10-1.jpg

Атом натрия удерживали с помощью одного оптического пинцета, атом цезия — с помощью другого. Пинцеты, работой которых управляли при температуре ниже 1 мкK, помещали атомы в реакционную камеру, в которой и возникала молекула NaCs


Масштабы проведения химических реакций разнообразны — от микропроточных реакторов и лабораторных колб разного размера до промышленных установок. Исследователи из США провели химическую реакцию в самом малом масштабе — с помощью оптического пинцета они сблизили атомы натрия и цезия, заставив их образовать химическую связь, и получили молекулу Cs–Na («Science», 2018, doi: 10.1126/science.aar7797).

Обычно химическая реакция протекает в результате случайного столкновения большого количества частиц — атомов или молекул. События, которые при этом происходят, — разрыв старых и образование новых химических связей, перераспределение электронной плотности — зависят от вероятностей. Это, в свою очередь, означает, что все наши представления о механизме реакции — не что иное, как усреднение картины многочисленных столкновений. Некоторые методики слежения за химическими реакциями позволяют узнать, что происходит при взаимодействии сравнительно небольшого количества частиц — сотен или тысяч (для химии это действительно немного), однако наблюдать за взаимодействием пары атомов пока еще не удавалось.

Кан-Куэнь Ни из Гарварда с коллегами предположили, что для наблюдения за такой «элементарной» химической реакцией нужно не полагаться на милость природы, то есть на процессы диффузии либо пересечение пучков реагирующих частиц, а поймать отдельные атомы и приблизить их друг к другу, тщательно контролируя «стыковку». Для такого минималистического подхода исследователи захватили двумя оптическими пинцетами атом цезия и атом натрия. Оптический пинцет — это ультраохлажденный лазерный инструмент, позволяющий удержать атом или большую по размеру структуру, по сути, в луче света.

Частота одного оптического пинцета составляла 700 нм, другого — 976 нм. Различная поляризуемость атомов натрия и цезия означает, что натрий может связываться оптическим пинцетом с длиной волны 700 нм, а цезия — 976 нм. Таким образом, с помощью разных по частоте оптических пинцетов эти два атома можно удерживать на расстоянии друг от друга и независимо перемещать их в небольшом объеме. Исследователи внесли атомы в отдельную дипольную ловушку, где превратили их в молекулу с помощью фотона в ходе процесса, известного как реакция фотоассоциации. Мономолекулярная спектроскопия дала возможность проследить за реакцией и определить химические характеристики продукта — было доказано образование молекулы, состоящей из одного атома натрия и одного атома цезия.

Предполагается, что таким способом будет можно создавать и другие двухатомные молекулы. Их потенциальная значимость — не только теоретическая: известно, что молекулы, подобные NaCs, существуют в единственном квантовом состоянии, и это позволяет использовать их как кубиты — эквиваленты битов для квантового компьютера. Можно представить, совсем уже в отдаленной перспективе, как в таком компьютере будущего система ловушек и лазерных пинцетов создаст трехмерную систему кубитов.



Эта статья доступна в печатном номере "Химии и жизни" (№ 6/2018) на с.10.

Разные разности

06.11.2018 15:40:00

…«Science» опубликовал шесть статей, посвященных финальному этапу исследования Сатурна автоматической межпланетной станцией Кассини…

…в Японии, возможно, будет разрешено редактирование генов человеческих эмбрионов в исследовательских целях...

…британские ученые с помощью CRISPR-Cas9 ввели в геном малярийного комара Anopheles gambiae мутацию, которая делает самок бесплодными при сохранении плодовитости самцов; такая мутация может полностью уничтожить вид…

>>
31.10.2018 18:00:00

Государство придумало способ борьбы за чистоту природы – экологические штрафы. Например, в США за период 2000—2015 годы средний размер штрафа составил 204 млн долларов. Как же компания может снизить такую нагрузку? Для этого нужно увеличить число женщин в составе руководящего органа.

>>
29.10.2018 17:00:00

Современный потребительский рынок перекошен действиями маркетологов, и они придумали очень интересные методы для обхода законов. С помощью методов, которым их научили в современных школах бизнеса, они создают ложные рыночные ценности.

>>
01.10.2018 12:00:00

…разновидность северного сияния под названием STEVE на самом деле вообще не северное сияние...

…найдены прямые и окончательные доказательства присутствия поверхностного водного льда в полярных областях Луны...

…чип, содержащий живые клетки дрожжей, поможет отслеживать суточные дозы облучения у сотрудников больниц, исследовательских лабораторий и АЭС…


>>
29.09.2018 10:00:00

У блокчейн-технологии есть существенный недостаток: ее защищенность базируется на том, что процедура проверки данных в цепочках блоков требует большого расхода энергии. При своем нынешнем объеме система потребляет энергии как целая страна.

>>