Przełomowe odkrycie naukowców z University of Chicago

Przełom może wskazać drogę do fundamentalnych spostrzeżeń i nowej technologii.

zespół Uniwersytet Chicagowski Odsłonił pierwsze dowody na istnienie „superchemii kwantowej” – zjawiska, w którym cząstki znajdujące się w tym samym stanie kwantowym razem podlegają przyspieszonym interakcjom. Chociaż wcześniej oczekiwano, efekt ten nigdy wcześniej nie był obserwowany w laboratorium.

Wyniki opublikowane w fizyka przyrody 24 lipca otwórz drzwi do nowego pola. Naukowcy są żywo zainteresowani tak zwanymi reakcjami chemicznymi „wzmocnionymi kwantowo”, które mogą mieć zastosowanie w chemii kwantowej, Statystyki ilościowei inne technologie, a także lepsze zrozumienie praw rządzących wszechświatem.

„To, co widzieliśmy, jest zgodne z oczekiwaniami teoretycznymi” – powiedział Cheng Chen, profesor fizyki i członek Instytutu Jamesa Francka i Instytutu Enrico Fermiego, którego laboratorium przeprowadziło badania. „To był cel nauki od 20 lat, więc jest to bardzo ekscytująca era”.

Naukowcy ogłaszają pierwsze dowody na istnienie „superchemii kwantowej” – zjawiska, w którym cząstki w tym samym stanie kwantowym podlegają przyspieszonym grupowym interakcjom. Powyżej współautorzy badania Zhendong Zhang (po lewej) i profesor Cheng Chin w laboratorium. Źródło: John Zach

Poprawa pozycji: proces

Laboratorium Chena specjalizuje się w pracy z cząsteczkami, które istnieją w ekstremalnie niskich temperaturach. zamknąć zero absolutneCząsteczki mogą korelować, tak że wszystkie znajdują się w tym samym stanie kwantowym – w którym mogą wykazywać niezwykłe zdolności i zachowania.

Postawiono hipotezę, że grupa atomów i cząsteczek w tym samym stanie kwantowym zachowałaby się inaczej podczas reakcji chemicznych, ale trudność w organizacji eksperymentu sprawiła, że ​​nigdy tego nie zaobserwowano.

Grupa Chena ma doświadczenie w wprowadzaniu atomów w stany kwantowe, ale cząstki są większe i bardziej złożone niż atomy, więc grupa musiała opracować nowe technologie, aby im przeciwdziałać.

„To, jak daleko możemy posunąć nasze zrozumienie i wiedzę o geometrii kwantowej do bardziej złożonych cząstek, jest głównym kierunkiem badań w tej społeczności naukowej”.

– Cheng Chen, profesor fizyki

W eksperymentach naukowcy schładzali atomy cezu i doprowadzali je do tego samego stanu kwantowego. Następnie obserwowali interakcje atomów, tworząc cząsteczki.

W zwykłej chemii pojedyncze atomy zderzają się, a każde zderzenie ma potencjał do utworzenia cząsteczki. Jednak mechanika kwantowa przewiduje, że atomy w stanie kwantowym wykonują zamiast tego zbiorowe działania.

Implikacje i wyniki

„Nie traktuje się już reakcji chemicznej jako zderzenia niezależnych cząstek, ale jako proces zbiorowy” – wyjaśnił Chen. „Wszyscy wchodzą w interakcje razem, jako całość”.

Jedną z konsekwencji jest to, że reakcja zachodzi szybciej niż w normalnych warunkach. W rzeczywistości im więcej atomów w układzie, tym szybsza reakcja.

Inną konsekwencją jest to, że końcowe cząsteczki mają ten sam stan molekularny. Chen wyjaśnił, że te same cząsteczki w różnych stanach mogą mieć różne właściwości fizyczne i chemiczne – ale są chwile, kiedy chcesz stworzyć grupę cząsteczek w określonym stanie. W tradycyjnej alchemii rzucasz kostką. „Ale dzięki tej technice możesz skierować cząsteczki w identyczny stan” – powiedział.

Shu Nagata, doktorant i współautor artykułu, dodał, że widzieli dowody na to, że reakcja zachodziła częściej jako interakcja trzech ciał niż interakcja dwóch ciał. Oznacza to, że zderzą się trzy atomy. Dwie utworzą cząsteczkę, a trzecia pozostanie pojedyncza. Ale trzeci odegrał pewną rolę w reakcji.

możliwości technologiczne

Ten przełom oznacza początek nowej ery. Chociaż w eksperymencie użyto dwóchkukurydza Molecules, istnieją plany pracy z większymi i bardziej złożonymi cząsteczkami.

„To, jak daleko możemy posunąć nasze zrozumienie i wiedzę o geometrii kwantowej do bardziej złożonych cząstek, jest głównym kierunkiem badań w tej społeczności naukowej” – powiedział Chen.

Niektórzy w tej dziedzinie przewidywali użycie cząstek jako kubitów w komputerach kwantowych lub na przykład w kwantowym przetwarzaniu informacji. Inni naukowcy badają je jako bramy do dokładniejszych pomiarów podstawowych praw i interakcji, takich jak testowanie podstawowych praw wszechświata, takich jak naruszenie symetrii.

Odniesienie: „Multibody Chemical Reactions in a Quantitative Decay Gas” Zhendong Zhang, Shu Nagata, Kai-Xuan Yao i Cheng Chin, 24 lipca 2023 r., Dostępne tutaj. fizyka przyrody.
DOI: 10.1038/s41567-023-02139-8

Zhendong Zhang (doktorat 22, obecnie na Uniwersytecie Stanforda) i Kai-Xuan Yao (doktorat 22, obecnie na Cytadeli) byli współautorami artykułu.

Finansowanie: Narodowa Fundacja Nauki, Biuro Badań Naukowych Sił Powietrznych, Stypendium Grainger Graduate Fellowship, Stypendium Fundacji Takenaka.