دقیق‌ترین واکنش شیمیایی جهان چیست؟

دانشمندان به‌تازگی موفق شده‌اند دقیق‌ترین واکنش شیمیایی کنترل‌شده در جهان را انجام دهند. در این واکنش، دو اتم دو عنصر مختلف به یکدیگر می‌چسبند و آنچه تشکیل می‌دهند، یک مولکول معمولی نیست. به این ترتیب، دو عنصر سدیم و سزیم یک مولکول جالب آلیا‌ژمانند تولید می‌کنند. این روش تولید می‌تواند در ساخت مواد مورد نیاز در فناوری‌های آینده کاربرد داشته باشد.

گروهی از دانشمندان دانشگاه هاروارد با استفاده از میکروسکوپ‌های لیزری برای دستکاری اتم‌های مختلف دو فلز قلیایی هم‌گروه و با کمک یک فوتون، مولکول جدیدی تولید کردند. واکنش‌های شیمیایی معمولا با برخوردهای تصادفی همراه هستند؛ به‌طوری که تعداد زیادی از اتم‌ها به سمت یکدیگر پرتاب می‌شوند و اگر تحت شرایط مناسب باشند با یکدیگر اتصال برقرار می‌کنند.

این روش تصادفی در مواقعی جواب می‌دهد که ترکیب عناصر موجود در واکنش با یکدیگر تناسب داشته باشد. اما وقتی دانشمندان بخواهند یک جفت اتم نامتناسب را با یکدیگر پیوند دهند باید خلاق باشند. همان‌طور که از شیمی دوران دبیرستان به خاطر دارید، سدیم (Na) و سزیم (Cs) هر دو در یک گروه در جدول تناوبی وجود دارند. قرار داشتن عناصر در یک گروه بدان معنا است که خواص واکنشی مشابهی دارند و از طرفی، تمایلی به برخورد با یکدیگر ندارند و نمی‌توانند به‌راحتی با یکدیگر پیوند پیدا کنند.

در صورتی که خواص الکترومغناطیسی قطبی مولکولی‌ مانند NaCs می‌تواند در ذخیره‌سازی حالت‌های برهم‌نهی بیت‌های کوانتومی (کیوبیت)، فوق‌العاده مفید عمل کند و به‌راحتی با دیگر عناصر وارد تعامل شود. قابلیت ذخیره‌سازی کیوبیت و تعامل با دیگر عناصر، از جمله خواصی است که در فناوری‌های آینده مورد نیاز خواهد بود.

کانگ کوین نی، سرپرست این تیم مطالعاتی، می‌گوید: پردازش اطلاعات کوانتومی یکی از مواردی است که ما را در خصوص این کشف هیجان‌زده کرده.

اگر این دو اتم به‌اندازه‌ی کافی به یکدیگر نزدیک شوند و انرژی مناسب برای آن‌ها برقرار باشد، بین آن‌ها می‌تواند اتصال برقرار شود. پژوهشگران برای رسیدن به این ترکیب، تک‌اتم‌های هر عنصر را در تله‌های مغناطیسی نوری هم‌پوشانی‌شده گذاشتند و برای رساندن دما به نزدیک صفر مطلق، آن‌ها را در معرض پرتاب پی‌درپی فوتون‌ قرار دادند و در همین حال، با استفاده از یک جفت لیزر تنظیم‌شده نوعی اثر الکتریکی ایجاد کردند که باعث می‌شد هر یک از اتم‌ها به سمت فوکوس لیزر حرکت کند.

به این ترتیب دو اتم در مجاورت یکدیگر قرار می‌گیرند و می‌توانند به‌آسانی با هم برخورد کنند. در این مرحله، با توجه به نیاز به حفظ حرکت و سطح انرژی، هنوز این اطمینان وجود نداشت که بین دو اتم پیوندی شکل گرفته باشد. از این رو یکی از پژوهشگران شرایط سختگیرانه‌ای تنظیم کرد تا پالس‌های لیزری در این خصوص کاملا کنترل‌شده عمل کنند. نتیجه‌ی نهایی، یک فلاش کوتاه ناشی از اتصال بین دو اتم در وضعیت کوانتومی یکسان بود. نی می‌گوید:

قدم بعدی ایجاد مولکول‌های پایدارتر است؛ به‌طوری که ترکیب آن‌ها به‌جای حالت برانگیخته در حالت پایه خواهد بود. من فکر می‌کنم که دانشمندان زیادی مسیر ما را دنبال خواهند کرد.

هدف نهایی از این نوع واکنش، خلق مولکول‌های پیچیده‌تر است؛ به‌طوری که این مولکول‌ها نه‌تنها به‌منظور کاربردهای کلاسیک مورد استفاده قرار بگیرند، بلکه به‌عنوان اجزای کوانتومی کوچک برای نسل بعدی رایانه‌ها هم معرفی شوند. یکی از اعضای مؤسسه‌ی استاندارد و فناوری ایالات متحده در این خصوص می‌گوید:

مشاهدات تجربی برای نخستین بار یک واکنش شیمیایی را ارائه داده که در شرایط کنترل‌شده‌ی محض صورت گرفته است... کنترل برهم‌کنش‌های مولکولی که شامل واکنش‌های شیمیایی در بنیادی‌ترین سطح است، از اهداف بلندمدت علوم فیزیک محسوب می‌شود.