צוות מדענים ממכון ויצמן למדע הצליח לאחרונה לחולל תגובה כימית בטמפרטורה של מאית המעלה מעל לאפס המוחלט – הכי קרוב שאפשר למינוס 273 מעלות צלסיוס.

בכך אימת צוות המדענים – ד"ר אד נרייביצ'יוס וחברי קבוצתו מהמחלקה לפיסיקה כימית במכון ויצמן למדע – את ההשערה התיאורטית שלפיה בטמפרטורות נמוכות מאוד, קרוב לאפס המוחלט, תגובות כימיות עשויות להתחולל בקצב מהיר הרבה יותר משצופה הכימיה הקלאסית. זאת, מכיוון שבטמפרטורות אלה נכנסות לתמונה תופעות קוונטיות. ממצאי הצוות לא רק מספקים תובנות חדשות אודות העולם הקוונטי שבו חלקיקים מתנהגים גם כגלים, אלא עשויים גם להסביר כיצד מתרחשות תגובות כימיות במרחבים הקפואים שבחלל.

ממצאיהם של המדענים ממכון ויצמן התפרסמו השבוע בכתב-העת המדעי Science.

"בכימיה הקלאסית אנחנו חושבים על תגובות כימיות במושגים של התנגשויות בין כדורי ביליארד, רק בסקאלה אטומית", אומר ד"ר נרייביצ'יוס. "על-פי התמונה הקלאסית הזו, מחסומי תגובה אנרגטיים מפריעים לכדורים להתקרב זה לזה. בעולם של הפיסיקה הקוונטית, לעומת זאת, הכדורים מסוגלים לעבור דרך המחסומים באמצעות מינהור, משום שבטמפרטורות אולטרה-נמוכות אלה הם רוכשים תכונות של גל".

המאמצים לצפות בתופעות קוונטיות במהלך תגובות כימיות התחילו לפני כמחצית המאה, בניסוייהם פורצי הדרך של יואן ט. לי ודדלי הרשבך, שמאוחר יותר זכו בפרס נובל. הם הצליחו לצפות בתגובות כימיות שנוצרות בעקבות התנגשות של שתי אלומות מולקולריות אולטרה-סוניות. ועדיין, התנגשויות אלה מתחוללות במהירויות יחסיות גבוהות, אשר  מתבטאות בטמפרטורת תגובה מעל K°100 (מאה מעלות עפ"י סולם קלווין, שמתחיל מהאפס המוחלט) – חם מכדי לאפשר התחוללות של תופעות קוונטיות. מאז אותם ניסויים חלוציים השתמשו מדענים במיגוון שיטות, כולל שינוי הזווית של האלומות והאטת מהירותן עד לעצירה מוחלטת. באמצעות שיטות אלה הצליחו להוריד את הטמפרטורה עד ל-5°K: קרוב יותר לאפס המוחלט, אך עדיין לא מספיק קר כדי לצפות בתופעות קוונטיות.

החידוש שהכניסו ד"ר נרייביצ'יוס וחברי צוותו, שכלל את אלון הנסון, סשה גרשטיין, יובל שגם וג'וליה נרייביצ'יוס, הוא מיזוג של שתי האלומות – במקום לגרום להן להתנגש זו בזו. אלומה אחת נוצרה ושוגרה בקו ישר, ואילו לאלומה השנייה הם גרמו להתעקם (באמצעות שדה מגנטי) עד שנעה במקביל לאלומה הראשונה. באופן זה, למרות המהירות הגבוהה של האלומות, המהירות היחסית של החלקיקים הנפגשים זה בזה הייתה נמוכה מאוד. כך עלה בידיהם להשיג טמפרטורה של מאית המעלה בלבד מעל האפס המוחלט. אלומה אחת הכילה אטומי הליום והאלומה השנייה הכילה אטומי ארגון או מולקולות מימן. בתגובה הכימית שנוצרה, אטומי הארגון או מולקולות המימן עברו יינון, כלומר, שחררו אלקטרונים.

"הניסוי שלנו הוא הוכחה ניסיונית ברורה לכך שקצב של תגובה כימית עשוי להשתנות במידה דרמטית בטמפרטורות קרובות לאפס המוחלט", אומר ד"ר נרייביצ'יוס. "אנו מצפים כי השיטה שלנו תשמש לפתרון תעלומות רבות הכרוכות בתגובות כימיות, במיוחד באלה המתרחשות בחלל, שמטבען אכן יוצאות אל הפועל בטמפרטורות נמוכות ביותר".