控制超冷双分子反应的量子立体动力学

化学反应速率通常强烈依赖于立体动力学，即分子在三维空间中的取向和运动。温度低于1微开的超冷分子气体为化学提供了一个高度不寻常的体系，其中极性分子可以很容易地使用外部电场取向，而且两个碰撞分子的运动是严格量子化的。最近，在捕获的KRb分子超冷气体中观察到了原子交换反应。在外电场中，这些放热且无势垒的双分子反应KRb+KRb -> K2+Rb2以随偶极矩增加而急剧上升的速率发生。在这里，我们表明超冷碰撞的量子立体动力学可以被利用来将双分子化学反应速率抑制近两个数量级。我们使用光学晶格陷阱将费米子极性分子限制在准二维、饼状的几何结构中，偶极子沿紧束缚方向取向。通过足够紧的束缚和分子的费米统计的结合，两个极性分子只能以“并排”碰撞的方式相互接近，其中化学反应速率被排斥性的偶极-偶极相互作用所抑制。我们表明，双分子反应速率的抑制需要对分子内部和外部自由度的量子态控制。在准二维陷阱中极性分子化学反应的抑制为研究偶极分子量子气体开辟了道路。由于偶极-偶极相互作用的强、长程特性，这种气体为基于量子气体的强关联多体物理研究带来了全新的能力，其中可以出现量子相变和新物态。