«Квантовая суперхимия» впервые наблюдалась в лабораторных экспериментах
Ученые из Чикагского университета обнаружили первое свидетельство явления под названием «квантовая суперхимия». Давно предсказанный, но до сих пор не подтвержденный, этот эффект может ускорить химические реакции, дать ученым больше контроля над ними и улучшить квантовые вычисления.
Все виды удивительного поведения частиц проявляются на квантовом уровне. Атомы могут находиться в нескольких состояниях одновременно, становиться настолько запутанными, что мгновенно обмениваются информацией на любом расстоянии, или туннелировать через барьеры, которые они не должны пересекать.
Ученые пытаются использовать эти явления для более мощных вычислений, систем связи и других технологий.
И теперь исследователи обнаружили первое прямое свидетельство ранее предсказанного квантового эффекта, известного как суперхимия. Все начинается со странного состояния вещества, называемого конденсатом Бозе-Эйнштейна, в котором облако атомов охлаждается почти до абсолютного нуля, заставляя атомы переходить в одно и то же квантовое состояние и начинать вести себя как один большой атом.
Было высказано предположение, что вовлечение атомов в этом состоянии в химические реакции приведет к другим результатам, чем обычно.
В классической химии атомы в смеси будут случайным образом сталкиваться, и при каждом столкновении есть шанс, что они соединятся в молекулу. Но если все атомы находятся в одном и том же квантовом состоянии, теперь они вместо этого выполняют действия вместе.
«Вы больше не рассматриваете химическую реакцию как столкновение между независимыми частицами, а как коллективный процесс», — сказал Ченг Чин, ведущий автор исследования. «Все они реагируют вместе, как единое целое».
Для своих экспериментов исследователи охладили атомы цезия до необходимых экстремальных температур, а затем переводили их в одинаковое квантовое состояние. И действительно, оказалось, что атомы образуют молекулы, напоминающие суперхимию.
Этот процесс имеет несколько последствий, которые отличают его от обычной старой химии. Во-первых, поскольку все атомы действуют вместе, реакции протекают намного быстрее, и чем больше атомов в системе, тем быстрее.
Во-вторых, все молекулы, которые производятся в конце, находятся в одном и том же состоянии, что полезно для создания больших партий идентичных молекул с более надежным результатом, чем с помощью традиционной химии.
Ученые также увидели свидетельство странного явления во время процесса — взаимодействия трех частиц происходили чаще, чем взаимодействия двух. По сути, сталкивались три атома, два из которых соединялись в молекулу, а третий каким-то образом помогал этому процессу.
Этот прорыв может помочь проложить путь к новым технологиям в квантовой химии, квантовым вычислениям и помочь ученым в изучении законов физики.
Исследователи надеются, что прорыв станет началом новой эры. Хотя этот эксперимент был проведен с простыми двухатомными молекулами, они планируют перейти к работе с более крупными и сложными молекулами.
«То, что мы увидели, совпало с теоретическими предсказаниями», — сказал Ченг Чин. «Это была научная цель в течение 20 лет, так что это очень захватывающая эпоха».
«Насколько далеко мы можем продвинуть наше понимание и наши знания квантовой инженерии в более сложные молекулы, является основным направлением исследований в нашем научном сообществе».
Некоторые специалисты в этой области предполагали использовать молекулы в качестве кубитов в квантовых компьютерах или, например, в квантовой обработке информации. Другие ученые изучают их как врата для еще более точных измерений фундаментальных законов и взаимодействий, таких как проверка основных законов Вселенной, например — нарушение симметрии.
Исследование было опубликовано в журнале Nature Physics.