Ключевой целью текущих исследований, основанных на молекулярной физике, является понимание и точное управление химическими реакциями при очень низких температурах. При низких температурах химические реакции между заряженными частицами (т. е. ионами) и молекулами разворачиваются с коэффициентами скорости, сильно зависящими от вращательного состояния, что означает, что скорость, с которой они протекают, сильно зависит от вращательных состояний вовлеченных молекул.

Исследователи из ETH Zürich недавно представили новый подход к управлению химическими реакциями между ионами и молекулами при низких температурах, используя микроволны (т. е. электромагнитные волны с частотами от 300 МГц до 300 ГГц). Предложенная ими схема, изложенная в статье, опубликованной в Physical Review Letters, подразумевает использование микроволновых импульсов для управления популяциями вращательных состояний молекул.

«За последние 10 лет мы разработали метод, с помощью которого можно изучать ионно-молекулярные реакции при очень низких температурах, ниже 10 К, что соответствует условиям в гигантских молекулярных облаках в межзвездной среде, где эти типы реакций играют ключевую роль», — рассказала Phys Валентина Желязкова, автор-корреспондент статьи.

«Экспериментальные результаты, которые мы получили по многочисленным реакциям с участием положительно заряженных атомов или молекул, показали, что некоторые реакции все еще происходят вблизи абсолютного нуля температурной шкалы и, что имеет решающее значение для нашей текущей работы, что реакционная способность сильно зависит от степени вращения молекул».

В рамках своего недавнего исследования Желязкова, Фернанда Б. В. Мартинс, Фредерик Меркт и их коллеги стремились использовать сильное влияние степени вращения молекул на химические реакции, происходящие при температурах, близких к абсолютному нулю. В частности, они использовали эту сильную зависимость, чтобы вызвать ингибирование реакции путем изменения вращательного состояния молекул с помощью коротких импульсов микроволнового излучения.

«Мы изучали низкотемпературные реакции между положительно заряженными атомами и молекулами», — пояснил Меркт. «Реакционная способность в этих системах зависит от квантового состояния молекулы».

Чтобы продемонстрировать свой предложенный подход, исследователи сначала охладили молекулы до их основного вращательного состояния. В этом состоянии молекулы, как известно, более реактивны, чем когда они находятся в так называемом первом возбужденном вращательном состоянии.

«Затем мы использовали микроволновый импульс, чтобы добавить квант вращения к молекуле и возбудить ее до этого менее реактивного состояния», — сказал Мартинс. «Мы отслеживали реактивность, наблюдая за количеством продуктов, образующихся в единицу времени, и увидели снижение, когда включался микроволновый импульс».

В целом, результаты, собранные Желязковой, Мартинсом, Мерктом и их коллегами, показали, что различные вращательные уровни молекулы могут реагировать с разной скоростью. Более того, исследователи успешно контролировали химические реакции холодных ионов и молекул с помощью микроволновых импульсов.