При столкновениях водорода и инертных газов обнаружены квантовые эффекты
Группа исследователей из Свободного университета Берлина, возглавляемая физиком, профессором Кристианой Кох, продемонстрировала как ведут себя молекулы водорода при столкновении с атомами инертных газов, таких как гелий или неон. В статье, опубликованной в журнале Science, исследователи описывают, как они использовали симуляции для установления связи между данными экспериментов и теоретическими моделями квантовой физики.
VMI-изображения ионов и электронов, столкновения Ne∗-H 2 PI. Первый ряд: все ионы. Второй ряд: ионы H 2 + и совпадения электронов. Третий ряд: нарезанные изображения.
Кредит: Наука (2023). DOI: 10.1126/science.adf9888
Исследование включает в себя теоретические расчеты, а также данные, собранные в ходе экспериментов с атомами и молекулами, проведенных в Техническом университете Дортмунда и Научном институте Вейцмана в Израиле. Команда смогла показать, что столкновения меняют вибрацию и вращение молекул в соответствии с законами квантовой механики. Исследования в области квантовой механики продолжают приобретать все большее значение в современном мире. Подобные открытия могут быть применены при разработке мобильных телефонов, телевизоров, спутников и в медицинских диагностических технологиях.
Наблюдаемый здесь квантовый эффект известен как резонанс Фешбаха. «На короткое время после столкновения молекула водорода и атом благородного газа образуют химическую связь, а затем снова разделяются», — объясняет профессор Кох из Свободного университета Берлина.
Однако, несмотря на чрезвычайно подробные измерения и расчеты для сравнительно небольшой и простой системы, исследователи все еще далеки от возможности восстановить полные квантово-механические характеристики столкновения водород-благородный газ. «Это связано с одним из фундаментальных явлений квантовой механики: когда дело доходит до измерений, вы не можете обойти основные принципы классической физики. Это создает дилемму: мы можем математически описать определенные явления квантовой механики в абстрактные термины, но для их полного понимания все же необходимо использовать понятия из классической физики», — объясняет Кох.
Квантовые эффекты — то есть типы поведения, которые нельзя объяснить с помощью правил классической физики — появляются, когда атомы и молекулы уже не могут быть в достаточной мере описаны местом, которое они занимают, и скоростью, с которой они движутся. «Они демонстрируют характеристики, которые мы связываем с дисперсией волн, такие как интерференция, что означает конструктивное или деструктивное наслоение волн», — говорит Кох. Кроме того, есть и другие явления, такие как запутанность, когда объекты квантовой механики оказывают непосредственное влияние друг на друга, несмотря на то, что они находятся на расстоянии в пространстве.
Квантовые эффекты обычно проявляются в области очень маленьких объектов, таких как атомы и молекулы, и когда эти объекты находятся под небольшим влиянием своего окружения. Последнее достигается за очень короткие промежутки времени или при экстремально низких температурах, близких к абсолютному нулю (-273,15°C). «В этих условиях этим частицам доступно лишь небольшое количество так называемых квантовых состояний. Система в основном ведет себя упорядоченным образом», — говорит Кох.
Более высокие температуры допускают большее количество квантовых состояний в частицах, а квантово-механические эффекты имеют тенденцию к выравниванию при распределении в виде статистического среднего по различным состояниям и, таким образом, практически исчезают из поля зрения. В этом состоянии система ведет себя более хаотично и может быть описана с помощью статистики. До сих пор даже самые холодные столкновения атомов с молекулами демонстрировали это статистически предсказуемое поведение. «Это сделало почти невозможным сделать какие-либо выводы относительно взаимодействия между атомами и молекулами, а это означает, что мы не могли установить прямую связь между реальными экспериментальными данными и теоретическими моделями», — объясняет Кох.
