Химические реакции многих тел в квантовом вырожденном газе
Команда из Чикагского университета объявила о первом свидетельстве «квантовой суперхимии» — явления, при котором частицы в одном и том же квантовом состоянии подвергаются коллективным ускоренным реакциям. Эффект был предсказан, но никогда не наблюдался в лаборатории. Выводы, опубликованные 24 июля в журнале Nature Physics, открывают дверь в новую область. Ученых интересуют так называемые «квантовые» химические реакции, которые могут найти применение в квантовой химии, квантовых вычислениях и других технологиях, а также для лучшего понимания законов Вселенной.
Кредит: Джон Зич
«То, что мы увидели, совпало с теоретическими предсказаниями», — сказал Ченг Чин, профессор физики и член Института Джеймса Франка и Института Энрико Ферми, чья лаборатория проводила исследование. «Это была научная цель в течение 20 лет, так что это очень захватывающая эпоха».
Улучшение Бозе
Лаборатория Чина специализируется на работе с частицами, хранящимися при очень-очень низких температурах. Вблизи абсолютного нуля частицы могут соединяться так, что все они находятся в одном и том же квантовом состоянии , где они могут проявлять необычные способности и поведение.
Было теоретизировано, что группа атомов и молекул в одном и том же квантовом состоянии будет вести себя по-разному во время химических реакций, но сложность организации эксперимента означала, что это никогда не наблюдалось.
Группа Чина имеет опыт перевода атомов в квантовые состояния, но молекулы больше и намного сложнее атомов, поэтому группе пришлось изобрести новые методы, чтобы с ними справиться.
В экспериментах ученые охлаждали атомы цезия и переводили их в то же самое квантовое состояние. Затем они наблюдали, как атомы реагируют, образуя молекулы.
В обычной химии отдельные атомы столкнулись бы, и есть вероятность, что каждое столкновение приведет к образованию молекулы. Однако квантовая механика предсказывает, что атомы в квантовом состоянии вместо этого выполняют действия коллективно.
«Вы больше не рассматриваете химическую реакцию как столкновение между независимыми частицами, а как коллективный процесс», — объяснил Чин. «Все они реагируют вместе, как единое целое».
Одним из следствий является то, что реакция происходит быстрее, чем в обычных условиях. Фактически, чем больше атомов в системе, тем быстрее происходит реакция.
Другим следствием является то, что конечные молекулы имеют одно и то же молекулярное состояние. Чин объяснил, что одни и те же молекулы в разных состояниях могут иметь разные физические и химические свойства, но бывают случаи, когда вы хотите создать группу молекул в определенном состоянии. В традиционной химии вы бросаете кости. «Но с помощью этой техники вы можете привести молекулы в идентичное состояние», — сказал он.
Шу Нагата, аспирант и соавтор статьи, добавил, что они видели доказательства того, что реакция чаще происходила как взаимодействие трех тел, чем как взаимодействие двух тел. То есть столкнулись бы три атома; два образовали бы молекулу, а третий остался бы одиночным. А вот третий сыграл определенную роль в реакции.
Технологические возможности
Ученые 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.
«Насколько далеко мы можем продвинуть наше понимание и наши знания квантовой инженерии в более сложные молекулы, является основным направлением исследований в этом научном сообществе», — сказал Чин.
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, таких как нарушение симметрии.
Чжэндун Чжан (доктор философии, сейчас работает в Стэнфордском университете) и Кай-Суан Яо (доктор философии, сейчас работает в Citadel) также были соавторами статьи.
