Aşırı Soğuk Moleküllerin Arasındaki Tepkime Kuantum Istatistiğinin Sınırlarını Ortaya Çıkardı

Ekli dosyayı görüntüle 3315

ABD ve Çin’deki araştırmacılar, aşırı soğuk potasyum rubidyum dimerlerinde ilginç sonuçlar buldu, kuantum etkilerinin kuantum istatistik modelinden sapmalara neden olduğunu ilk kez ortaya koydu. Kuantum istatistik modeli fiziksel kimyanın en sağlam teorilerinden biri olarak görülmektedir.

Kimyasal tepkimeler bir elektronik orbital grubunun başka bir gruba son derece karmaşık bir biçimde geçmesi ile olmaktadır, ancak bu anlamda tepkimeleri modellemek için gereken eşitlikler, çoğunlukla çözebileceklerimizin ötesinde olmaktadır. Kimyacılar bu sebepten ötürü bir tepkimenin yolunu belirlemek için çoklu yaklaşımlara bel bağlamaktadır.

Atomlar veya moleküller tepkimeye girdiğinde, ürünler geçişsel, dönüşsel, titreşimsel ve enerjetik kuantum hallerinin bir karışımı biçiminde üretilebilmektedir. Hangi halin üretileceği, reaktiflerin hallerindeki enerjinin saniyenin küçük bir kesrinde oluşan geçişsel kompleksleri nasıl etkilediğine bağlıdır. Bu ara komplekslerin yüzlerce farklı kuantum halleri olabilir, pek çoğu da aynı ürün haline götürmektedir. Tepkime dinamiğinde popüler bir kabul, her ara kuantum halinin eşit derecede olası olduğudur. Bu sebeple, belirli bir ürün haline götürecek ne kadar fazla ara kuantum hal var ise, ürünün hali o kadar büyük ihtimalle bu olmaktadır.

Son çalışmalarında, Kang-Kuen Ni (Harvard Üniversitesi) ve arkadaşları potasyum-rubidyum dimerlerini (KRb) bir optik tuzakta kuantum temel hallerine kadar soğuttu (mutlak sıfıra çok yakın bir sıcaklık). İki KRb dimeri çarpıştığında, ayrı potasyum (K2) ve rubidyum (Rb2) molekülleri oluşturacak şekilde tepkimeye girebiliyor. Bu tepkime ısı veriyor ve 500nK’de bile kendiliğinden oluşabiliyor. Araştırmacılar ürünlerin 57 olası kuantum halinin istatistik haritalamasını yaptı ve aynı tepkimeden oluşan ürünleri karşılaştırdı, ve sonuçların istatistik tahminlerin hangi aşamasında saptığını araştırdı.

Deneysel olarak belirlenmiş ürün hal dağılımı (solda) ve ürün dönüşsel hal çiftleri, kuantum istatistik teoriden türetilmiş sayılarla temsil edilen soysuzlukları (sağda)

Araştırmacılar, ürünlerin çok yüksek açısal momentuma sahip olduğu bir halin kuvvetli derecede bastırıldığını tespit etti. Araştırmacılara göre, bunun sebebi ürünlerin dönüşlerine çok fazla enerji harcanırken, moleküllerin potansiyel kuyularından kaçmak için kalan geçişsel kinetik enerjinin yetersiz olması ve molekülün kırılmasıdır. Tepkime bu yüzden asla tamamlanamayabilir. Bu aşırı örneği bir kenara koyarsak, ürün dimerlerinin yüksek ve çok benzer açısal momentumlarının bulunduğu ürün halleri istatistik modelle karşılaştırıldığında tercih edilmektedir. Bunun sebepleri ise, sonuçların tahmin edilmesi için tam bir kuantum simülasyonu yürütülmesi şimdilik mümkün olmadığından belirsizliğini koruyor.

Bu araştırmacıların sonraki hedefi. Araştırmacılar, bir atomun bir molekül ile tepkimeye girdiği daha basit bir sistemle çalışmayı düşünüyor. Ni, bu durumda tam bir hesaplamanın daha olası olduğunu söylüyor. “Teorinin denenebildiği, bir sistemde aynı ayrıntı düzeyini yakalayabilirsek, deney ile teorinin örtüşüp örtüşmediğini görebileceğiz”.

Aşırı soğuk tepkime kimyası uzmanı Matthew Frye (Durham Üniversitesi, Birleşik Krallık), çalışmanın ciddi bir adım attığına inanıyor. “Kang-Kuen’in tasarladığı deney harika görünüyor, iki ürün halinin aynı anda tespit edilebilmiş olması da övgüye değer” diyor. “Kimyasal tepkimedeki “soğan kabuklarını” geri almaya benziyor, ortalama tabakalarını ortadan kaldırıyoruz ve elimizdeki gerçekten de kuantum hallerinden ibaret kalıyor” Frye şöyle diyor: “Sıradan laboratuvar kimyacısı çoğu şeyi sıvı veya katı halde görür, böyle bir şeye çok rastlamamıştır”. “Atmosferdeki veya uzaydaki kimyasal tepkimeler gibi ortamlarda bu teoriler çok önemli olabilir”.

Kaynak: Reaction between ultracold molecules reveals limits of quantum statistics | ChemistryWorld.com