Unexpected resonance frequencies observed in reactions between two molecules
A new study published today in Nature is changing our understanding of chemical reactions and overturning previous theoretical models by finding an unexpected resonance frequency during the reaction of two molecules.
Resonance is when one object vibrating at the same natural frequency as a second object forces that second object into vibrational motion.
This ground-breaking finding is the first time a resonance has been observed between two ultracold molecules and is a stepping-stone for researchers to learn about and control the molecules that comprise our universe.
“Resonances occur when vibrations at a specific frequency get preferentially amplified. For example, when a piano string gets hit by the hammer, it vibrates at a specific frequency based on the length and thickness, creating a musical note unique to that string,” said Dr. Alan Jamison from the Institute for Quantum Computing (IQC) and the Department of Physics and Astronomy at the University of Waterloo. “Similar resonances occur in atoms, where very specific frequencies of energy create stronger than expected responses in the chemical systems.”
Previously predicted to be an impossibility, Jamison and his collaborators from the Massachusetts Institute for Technology (MIT) were able to observe resonant frequencies in a chemical reaction between two ultracold molecules. By cooling down sodium-lithium molecules to near-absolute zero temperatures, the team could control the reactions at a quantum level. Without such control, the unusual resonance would never have been noticed.
To learn more about their research, see the original story “New discovery may be key to controlling chemical reactions” on Waterloo News.
Une nouvelle découverte pourrait changer la donne dans le contrôle des réactions chimiques
Des fréquences de résonance inattendues ont été observées dans les réactions entre deux molécules
Une nouvelle étude parue aujourd’hui dans la revue Nature fait une révélation qui change notre compréhension des réactions chimiques et renverse les modèles théoriques antérieurs : on a observé une fréquence de résonance inattendue durant une réaction entre deux molécules.
(La résonance, c’est lorsqu’un objet qui vibre à la même fréquence naturelle qu’un second objet force ce dernier à entrer en vibration.)
Il s’agit d’une découverte sans précédent, car c’est la première fois qu’on observe une résonance entre deux molécules ultrafroides, une occasion exceptionnelle pour les chercheurs de mieux saisir et contrôler les molécules qui composent notre univers.
« La résonance a lieu lorsque les vibrations d’une certaine fréquence sont amplifiées de manière préférentielle. Par exemple, lorsque la corde d’un piano est frappée par le marteau, elle se met à vibrer à une fréquence précise déterminée par sa longueur et sa grosseur, émettant une note de musique qui lui est propre, explique Alan Jamison de l’Institut d’informatique quantique et du Département de physique et d’astronomie de l’Université de Waterloo. Des résonances semblables surviennent chez les atomes, où des fréquences d’énergie très précises génèrent une réaction plus forte que ce qui était modélisé dans les systèmes chimiques. »
Cette réaction de résonance que l’on pensait impossible, M. Jamison et ses collaborateurs du Massachusetts Institute for Technology (MIT) l’ont observée dans une réaction chimique entre deux molécules ultrafroides. En refroidissant des molécules de sodium-lithium à une température proche du zéro absolu, l’équipe a été capable de contrôler les réactions au niveau quantique. Sans un tel contrôle, la résonance inhabituelle serait passée inaperçue.
« En apparence simples, ces systèmes recèlent encore d’étonnantes complexités – Schrödinger a conçu son équation il y a plus de 100 ans, mais nous n’arrivons toujours pas à la résoudre dans un système à quatre atomes, poursuit le chercheur. Nous sommes en train de repousser les frontières de notre compréhension de la dynamique quantique complexe. »
L’équipe de recherche a sondé l’état de transition à quatre atomes avec un champ magnétique sur un spectre de plus d’un million de milligauss (unité de mesure de l’intensité d’un champ magnétique). Dans la zone sondée, l’intervalle de fréquences de résonance découverte était de seulement 25 milligauss.
« C’est comme chercher une aiguille dans une botte de foin, estime le professeur du MIT Wolfgang Ketterle. Lorsque le champ magnétique a été réglé à cette fréquence exacte, la réaction chimique s’est accélérée de façon marquée. »
La découverte de ces résonances promet de futures applications dans le contrôle des réactions chimiques. Par exemple, une augmentation de la résonance pourrait un jour canaliser une réaction chimique ou favoriser la formation d’un produit souhaité qui serait plus difficile à fabriquer sous des conditions de non-résonance, ouvrant ainsi une nouvelle avenue et ajoutant un nouvel outil d’investigation pour guider les réactions moléculaires.
L’étude d’Alan Jamison, de Wolfgang Ketterle, de Juliana Park, de Yu-Kun Lu et de Timur Tscherbul, « A Feshbach resonance in collisions between triplet ground state molecules », a été publiée dans Nature, le 1er février 2023.