Finetuning chemistry by quantum interference

Thursday, March 10, 2022

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Atoms and molecules are the building blocks of chemistry and are important to our understanding of the world. By cooling atoms and molecules to ultracold temperatures it opens up a new understanding of quantum chemistry. Working with nanokelvin temperatures, one billion times colder than Antarctica during winter, researchers can observe and control particles in ways not possible at room temperature. When really cold, particles behave in strange and exciting ways. Researchers are discovering unexpected results by looking at particles from a quantum perspective.

New research by Alan Jamison, Institute for Quantum Computing (IQC) and Department of Physics and Astronomy faculty member at the University of Waterloo, in collaboration with the MIT-Harvard Center for Ultracold Atoms, has demonstrated magnetic control of chemical reactions by quantum interference. The team successfully finetuned chemical reactions between an atom and a molecule to advance new insights for future applications in chemistry.

In the lab, the researchers cooled sodium atoms and sodium-lithium molecules. The ultracold temperature creates an environment where the particles slow down and are easier to observe. Researchers can then use quantum states to control the particles.

By studying chemical reactions in specific quantum states, we can learn how an effect like interference can direct reactions. Particles must collide at short range for a chemical reaction to occur, but at ultracold temperatures, particles usually reflect away at longer distances. When a reaction is guaranteed to happen every time the particles collide at short range, the reaction rate can be calculated and is referred to as the “universal limit.”

Surprisingly, when a reaction is unlikely to happen at short range, it becomes possible to tune the reaction rate to be faster than the universal limit. This becomes possible through quantum interference. In the quantum world, particles behave like waves and can have constructive or destructive interference depending on whether the waves build off each other or cancel each other out.

If two particles can collide at short range and move apart again without reacting, the returning part of the wavefunction can interfere with the part of the wavefunction that reflected at long range, cancelling some of it out. If the collision can be tuned just right, this destructive interference at long distances becomes strong, and the particles collide at short range much more often.

The team demonstrated, for the first time, the ability to modify the reaction rate from far below the universal limit to far above. Using a Feshbach resonance, they were able to tune this destructive interference to demonstrate control of chemical reactions. Feshbach resonances occur when two or more particles collide and are bound together for a short period of time, allowing researchers to modify how collisions occur.

“We can tune the chemical reaction rate and try to get an intuitive sense of what’s going on with these reactions,” said Jamison. “With a Feshbach resonance we can measure in either direction, to slow reactions down or speed them up.”

You can think of this like tuning a radio dial. If you tune it just right, you can hear your favourite station but if you tune it elsewhere, you will hear static. The Feshbach resonance allowed the team to finetune and direct the reactions between the atoms and molecules. They tuned the resonance between a point where a reaction was unlikely to occur to a point where reactions were very likely.

Quantum control of chemistry is unlocking exciting streams of fundamental research with new directions for researchers to explore.

“From a physicist’s perspective, chemistry is complicated. We each have our own tools to understand our own fields of study. When we approach chemistry from a physics perspective we can explore and discover new fundamental insights,” said Jamison.

Control of reactive collisions by quantum interference was published in Science on March 4, 2022.

Un réglage fin de réactions chimiques grâce à l’interférence quantique

En chimie, les composantes fondamentales sont les atomes et les molécules, qui jouent un rôle important dans notre compréhension du monde. Le refroidissement d’atomes et de molécules à des températures ultrabasses ouvre de nouvelles perspectives sur la chimie quantique. En travaillant à des températures de l’ordre du nanokelvin, soit un milliard de fois plus froid que l’Antarctique en hiver, les chercheurs peuvent observer et contrôler les particules selon des modalités impossibles à la température ambiante. Lorsqu’elles sont vraiment froides, les particules se comportent de manière étrange et passionnante. Les chercheurs obtiennent des résultats inattendus en observant des particules selon une perspective quantique.

De nouvelles recherches effectuées par Alan Jamison, professeur à l’Institut d’informatique quantique (IQC) ainsi qu’au Département de physique et d’astronomie de l’Université de Waterloo, en collaboration avec le Centre d’atomes ultrafroids du MIT et de l’Université Harvard, ont fait la démonstration du contrôle magnétique de réactions chimiques par interférence quantique. L’équipe de chercheurs a réussi à régler finement des réactions chimiques entre un atome et une molécule en vue d’applications futures en chimie.

En laboratoire, les chercheurs ont refroidi des atomes de sodium ainsi que des molécules de sodium et de lithium. Une température ultrabasse crée un milieu où les particules ralentissent et sont plus faciles à observer. Les chercheurs peuvent alors utiliser des états quantiques pour contrôler les particules.

En étudiant des réactions chimiques dans des états quantiques précis, on peut apprendre comment un effet tel qu’une interférence peut orienter les réactions. Pour qu’une réaction chimique se produise, des particules doivent entrer en collision à courte portée. Par contre, à des températures ultrabasses, les particules se repoussent généralement à des distances plus grandes. Lorsqu’une réaction est assurée chaque fois que des particules entrent en collision à courte portée, la vitesse de réaction peut être calculée et porte alors le nom de limite universelle.

Étonnamment, lorsqu’une réaction est peu probable à courte portée, il devient possible, grâce à l’interférence quantique, d’ajuster la vitesse de réaction pour qu’elle soit supérieure à la limite universelle. Dans le monde quantique, les particules se comportent comme des ondes et peuvent avoir des interférences constructives ou destructives, selon que les ondes s’additionnent ou s’annulent mutuellement.

Si 2 particules peuvent entrer en collision à courte portée puis s’éloigner l’une de l’autre sans qu’une réaction ne survienne, la partie de la fonction d’onde de retour peut interférer avec la partie de la fonction d’onde qui a été repoussée à grande distance et

annuler du même coup une portion de celle-ci. Avec un bon réglage de la collision, l’interférence destructive à grande distance devient forte, de sorte que les particules entrent beaucoup plus souvent en collision à courte portée.

L’équipe de chercheurs a montré pour la première fois qu’il est possible de modifier la vitesse de réaction, la faisant passer d’une vitesse très inférieure à la limite universelle à une vitesse très supérieure à cette limite. À l’aide d’une résonance de Feshbach, elle a réussi à régler cette interférence destructive de manière à contrôler des réactions chimiques. Une résonance de Feshbach se produit lorsque 2 ou plusieurs particules entrent en collision et sont liées pendant une courte période de temps. Elle permet aux chercheurs de modifier les modalités des collisions.

« Nous pouvons régler la vitesse de réactions chimiques, dit M. Jamison, et essayer d’avoir une idée de la manière dont elles se déroulent. Une résonance de Feshbach nous permet de régler la vitesse de réaction dans les 2 sens, c’est-à-dire les ralentir ou les accélérer. » [traduction]

On peut comparer cela au fait de tourner le bouton des fréquences d’un récepteur radio pour syntoniser une station. Si on obtient le bon réglage, on entend clairement les émissions de la station en question, mais si le bouton n’est pas à la bonne position, on entend des parasites. La résonance de Feshbach a permis à l’équipe de régler et guider les réactions chimiques impliquant des atomes et des molécules. Les chercheurs ont fait passer la résonance d’un point où une réaction donnée était improbable à un point où elle était très probable.

Le contrôle quantique de réactions chimiques ouvre de passionnantes avenues de recherche fondamentale dans de nouveaux territoires à explorer.

« Du point de vue d’un physicien, la chimie est un domaine complexe, dit M. Jamison. Dans chaque discipline, les scientifiques ont des outils spécifiques pour faire leurs recherches. En abordant la chimie sous l’angle de la physique, on peut trouver de nouvelles idées fondamentales. » [traduction] L’article intitulé Control of reactive collisions by quantum interference (Contrôle de collisions de réaction par interférence quantique) a été publié le 4 mars 2022 dans la revue Science.

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