[논문 리뷰] Steering ultracold reactions through long-lived transient intermediates

Yu Liu, Ming-Guang Hu외 5명|arXiv (Cornell University)|2020. 02. 12.

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates참고 문헌 57인용 수 114

한 줄 요약

이 연구는 1064 nm 레이저를 사용하여 40K87Rb에서 장수명 K2Rb*2 중간 복합체를 통해 초냉각 이원자 분자 반응을 제어함으로써, 기초 상태 경로에서 자극 상태 경로로의 반응 경로를 조작하는 것을 보여준다. 복합체의 수명은 직접 측정되어 360 ± 30 ns로 나타났으며, RRKM 이론과 뛰어난 일치를 보이며 초냉각 기체에서 이원자 분자 손실의 핵심 메커니즘을 규명하고 반응 제어 및 스펙트로스코픽 탐사의 새로운 길을 열어준다.

ABSTRACT

Controlling the pathways and outcomes of reactions is a broadly pursued goal in chemistry. In gas phase reactions, this is typically achieved by manipulating the properties of the reactants, including their translational energy, orientation, and internal quantum state. In contrast, here we influence the pathway of a reaction via its intermediate complex, which is generally too short-lived to be affected by external processes. In particular, the ultracold preparation of potassium-rubidium (KRb) reactants leads to a long-lived intermediate complex (K$_2$Rb$_2^*$), which allows us to steer the reaction away from its nominal ground-state pathway onto a newly identified excited-state pathway using a laser source at 1064 nm, a wavelength commonly used to confine ultracold molecules. Furthermore, by monitoring the change in the complex population after the sudden removal of the excitation light, we directly measure the lifetime of the complex to be $360 \pm 30$ ns, in agreement with our calculations based on the Rice-Ramsperger-Kassel-Marcus (RRKM) statistical theory. Our results shed light on the origin of the two-body loss widely observed in ultracold molecule experiments. Additionally, the long complex lifetime, coupled with the observed photo-excitation pathway, opens up the possibility to spectroscopically probe the structure of the complex with high resolution, thus elucidating the reaction dynamics.

연구 동기 및 목표

• 초냉각 이원자 분자 반응에서 장수명 일시적 중간 복합체의 역할을 조사하며, 특히 이원자 분자 손실의 맥락에서 다룬다.
• 초냉각 상태에서 40K87Rb 분자 간의 충돌로 생성된 K2Rb*2 중간 복합체의 수명을 측정한다.
• 외부 레이저 장이 중간 복합체를 광학적으로 자극함으로써 반응 경로를 조작할 수 있는지 탐색한다.
• 1064 nm 트랩 빛에 대한 복합체의 반응을 측정함으로써 초냉각 이칼륨 화합물에서의 이원자 손실 기원에 대한 오랫동안 미해결된 의문을 해결한다.
• ab initio 전위 에너지 표면과 RRKM 이론을 사용하여 이론적 예측된 복합체 수명과 광학 자극 속도를 검증한다.

제안 방법

• 1064 nm 빛을 사용하여 500 nK 정도의 온도에서 교차 광학 드롭 트랩(ODT)에 초냉각 40K87Rb 분자를 기초 상태에 준비한다.
• ODT의 빠른 정사각형 웨이브 강도 변조(3 kHz, 100% 깊이)를 통해 평균 강도는 일정하게 유지하면서 중간 복합체의 선택적 자극을 가능하게 한다.
• 반응 경로는 펄스형 305 nm UV 이온화를 통해 시간에 따른 질량 분석법으로 탐측하며, K2+, Rb2+, 및 K2Rb2+ 이온을 검출한다.
• 별도의 '킬 비트' 레이저(30 ns 하강 시간)를 사용하여 1064 nm 빛의 갑작스러운 끄기를 통해 자극 후 복합체 농도의 시간 변화를 측정한다.
• 일차 반응 붕괴의 해석적 해를 사용하여 빛 끄기 후 K2Rb2+ 이온 수의 복귀를 피팅함으로써 복합체 수명을 추출한다.
• 이론적 계산은 전면적 차원의 ab initio 전위 에너지 표면과 RRKM 이론을 사용하여 상태 밀도와 복합체 수명을 계산하며, 광학 자극 속도는 아인슈타인 B계수와 전이 이완 모멘트에서 유도된다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 1064 nm 빛을 사용하여 초냉각 KRb 분자의 반응 경로를 기초 상태 경로에서 자극 상태 경로로 조작할 수 있는가?
• RQ2 초냉각 충돌에서 생성된 장수명 K2Rb*2 중간 복합체의 수명은 얼마인가?
• RQ3 1064 nm 트랩 빛이 중간 복합체의 광학 자극을 얼마나 유도하는가? 이는 반응 역학에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 RRKM 이론과 ab initio 전위 에너지 표면은 측정된 복합체 수명과 자극 속도를 얼마나 잘 예측하는가?
• RQ5 초냉각 이칼륨 화합물에서의 이원자 분자 손실 기원은 무엇이며, 이는 중간 복합체의 빛 유도 자극에 기인하는가?

주요 결과

• K2Rb*2 중간 복합체의 수명은 직접 측정되어 360 ± 30 ns로 나타났으며, RRKM 이론 예측값 170 ± 60 ns와 뛰어난 일치를 보였다.
• 1064 nm에서 복합체의 일차 광학 자극 속도 상수는 0.42 ± 0.09 µs⁻¹/(kW/cm²)로 측정되었으며, 이론적 예측값 0.4+0.4⁻0.2 µs⁻¹/(kW/cm²)와 일치하였다.
• 고강도 ODT에서 복합체 및 생성물 농도의 관찰된 감소는 1064 nm 빛이 중간 복합체를 자극하여 비반응성 붕괴를 유도함을 확인한다.
• 이차 광학 자극 속도 상수는 0.14 ± 0.02 µs⁻¹/(kW/cm²)²로 결정되었으며, 빛 강도에 대한 비선형적 의존성을 나타낸다.
• 측정된 복합체 수명과 자극 속도는 위상공간의 에르고딕 탐색과 총 각운동량 보존(J = 1)을 가정할 때 일관되며, RRKM 모델의 타당성을 뒷받침한다.
• 결과는 초냉각 KRb 시스템에서의 이원자 손실 기원이 장수명 중간 복합체의 빛 유도 자극에 기인함을 설명하며, 다른 초냉각 이칼륨 화합물에서도 손실의 일반적 메커니즘을 제공한다.