Химики заставили два атома прореагировать друг с другом

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.