Ученые Калифорнийского университета в Чикаго наблюдают первые доказательства «квантовой суперхимии» в лаборатории

Луиза Лернер

4 августа 2023 г.

Команда из Чикагского университета объявила о первых доказательствах «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.

Результаты, опубликованные 24 июля в журнале Nature Physics, открывают дверь в новую область. Ученые проявляют большой интерес к так называемым «квантово-усиленным» химическим реакциям, которые могут найти применение в квантовой химии, квантовых вычислениях и других технологиях, а также для лучшего понимания законов Вселенной.

«То, что мы увидели, соответствовало теоретическим предсказаниям», — сказал Ченг Чин, профессор физики и сотрудник Института Джеймса Франка и Института Энрико Ферми, чья лаборатория проводила исследование. «Это была научная цель на протяжении 20 лет, так что это очень захватывающая эпоха».

Лаборатория Чина специализируется на работе с частицами, удерживаемыми при очень, очень низких температурах. Около абсолютного нуля частицы могут соединяться так, что все они находятся в одном квантовом состоянии, где они могут проявлять необычные способности и поведение.

Было высказано предположение, 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 этого никогда не наблюдалось.

Группа Чина имеет опыт перевода атомов в квантовые состояния, но молекулы крупнее и намного сложнее атомов, поэтому группе пришлось изобрести новые методы, чтобы их урегулировать.

В ходе экспериментов ученые охладили атомы цезия и привели их в одно и то же квантовое состояние. Затем они наблюдали, как атомы реагируют, образуя молекулы.

В обычной химии отдельные атомы сталкиваются, и при каждом столкновении существует вероятность образования молекулы. Однако квантовая механика предсказывает, что вместо этого атомы в квантовом состоянии совершают действия коллективно.

«Вы больше не рассматриваете химическую реакцию как столкновение независимых частиц, а как коллективный процесс», — объяснил Чин. «Все они реагируют вместе, как единое целое».

Одним из последствий 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 вам нужно создать группу молекул в определенном состоянии. В традиционной химии вы бросаете кости. «Но с помощью этой техники вы можете привести молекулы в одинаковое состояние», — сказал он.

Шу Нагата, аспирант и соавтор статьи, добавил, что они видели доказательства того, что реакция происходила как взаимодействие трех тел чаще, чем как взаимодействие двух тел. То есть три атома столкнутся; двое образовали молекулу, а третий остался один. Но третье сыграло некоторую роль в реакции.

Ученые надеются, что этот прорыв станет началом новой эры. Хотя этот эксперимент проводился 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 в области квантовой инженерии на 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 путь к еще более точным измерениям фундаментальных законов и взаимодействий, например, для проверки основных законов Вселенной, таких как нарушение симметрии.

Чжендун Чжан (доктор философии 22 года, сейчас работает в Стэнфордском университете) и Кай-Сюань Яо (доктор философии 22 года, сейчас работает в Цитадели) также были соавторами статьи.