Химики заставили два атома прореагировать друг с другом

А.И. Курамшин

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
Светящаяся петуния
Что вы скажете по поводу петунии, чьи цветки светятся в темноте подобно светлячкам? Скажете — небывальщина? Нет. Такие петунии уже появились на рынке. И появились они благодаря российской биотехнологической компании «Планта».
«Царица полей» против мышьяка
У кукурузы как кормовой культуры есть масса достоинств. Недавно ученые обнаружили у нее еще одно необычное свойство. И связано оно с мышьяком.
Живая музыка против консервированной
Музыка — это великолепный инструмент, который при умелом использовании позволяет нам перенастраивать свой мозг, регулировать состояние нервной системы, быстро переключиться и давать мозгу возможность отдохнуть. Но здесь возникает вопрос. Если сл...
Пишут, что...
…ИИ, пишущий по заданию текст или рисующий картинку, выделяет в сотни раз меньше диоксида углерода, чем люди, выполняющие те же задачи… …дальний ультрафиолет (222 нм), безобидный для человека, обезвреживает в помещении больше 99% ...