Вчені розкривають прихований порядок у хімічному хаосі

Якщо ви наблизите хімічну реакцію до квантового рівня, ви помітите, що частинки поводяться як хвилі, які можуть брижі та стикатися. Вчені давно прагнули зрозуміти квантову когерентність, здатність частинок підтримувати фазові співвідношення та існувати в кількох станах одночасно; це схоже на синхронізацію всіх частин хвилі. Залишається відкритим питання, чи може квантова когерентність зберігатися через хімічну реакцію, де зв’язки динамічно розриваються та утворюються.

Тепер команда вчених з Гарварду вперше продемонструвала існування квантової когерентності в хімічній реакції за участю ультрахолодних молекул. Ці відкриття підкреслюють потенціал використання хімічних реакцій для майбутніх застосувань у квантовій інформаційній науці.

«Я надзвичайно пишаюся нашою роботою з дослідження дуже фундаментальної властивості хімічної реакції, де ми дійсно не знали, яким буде результат», — сказав старший співавтор Канг-Куен Ні, професор хімії Теодор Вільям Річардс і професор Фізика. «Було дуже приємно провести експеримент, щоб дізнатися, що говорить нам мати-природа».

Спостереження квантової динаміки

У статті, опублікованій в Science, дослідники детально описують, як вони вивчали конкретну хімічну реакцію обміну атомами в ультрахолодному середовищі за участю молекул лугів 40K87Rb, де дві молекули калію і рубідію (KRb) реагують з утворенням калію (K2) і рубідію. (Rb2) продуктів. Команда підготувала початкові ядерні спіни в молекулах KRb у заплутаному стані, маніпулюючи магнітними полями, а потім перевірила результат за допомогою спеціальних інструментів. В ультрахолодному середовищі лабораторія Ni змогла відстежувати ступені свободи ядерного обертання та спостерігати складну квантову динаміку, що лежить в основі процесу реакції та її результату.

Робота була виконана декількома членами лабораторії Ні, включаючи І-Сян Лю, Лінбанг Чжу, Джешуруна Люка, Дж. Дж. Арфора Хоумана, Марка К. Бабіна та Мін-Гуан Ху.

Використовуючи лазерне охолодження та магнітне захоплення, команда змогла охолодити їхні молекули лише на частку градуса вище абсолютного нуля. У цьому ультрахолодному середовищі, що становить лише 500 наноКельвінів, молекули сповільнюються, що дозволяє вченим ізолювати, маніпулювати та виявляти окремі квантові стани з надзвичайною точністю. Цей контроль полегшує спостереження за такими квантовими ефектами, як суперпозиція, заплутаність і когерентність, які відіграють фундаментальну роль у поведінці молекул і хімічних реакціях.

Застосовуючи складні методи, включаючи виявлення збігів, коли дослідники можуть вибрати точні пари продуктів реакції з окремих подій реакції, дослідники змогли нанести на карту та з точністю описати продукти реакції. Раніше вони спостерігали, що розподіл енергії між обертальним і поступальним рухом молекул продукту є хаотичним [Nature 593, 379-384 (2021)]. Тому дивно знайти квантовий порядок у формі когерентності в тій самій базовій динаміці реакції, цього разу в ступені свободи ядерного спіну.

Результати показали, що квантова когерентність зберігалася в межах ступеня свободи ядерного спіну протягом усієї реакції. Збереження когерентності означало, що молекули продукту, K2 і Rb2, були в заплутаному стані, успадкувавши заплутаність від реагентів. Крім того, навмисно викликаючи декогерентність реагентів, дослідники продемонстрували контроль над розподілом продукту реакції.

У майбутньому Ні сподівається чітко довести, що молекули продукту були переплутані, і вона оптимістично налаштована, що квантова когерентність може зберігатися в неультрахолодних середовищах.

«Ми вважаємо, що результат є загальним і не обов’язково обмежується низькими температурами, і може статися в більш теплих і вологих умовах», – сказав Ні. «Це означає, що існує механізм хімічних реакцій, про який ми просто не знали раніше».

Перший співавтор і аспірант Лінгбанг Чжу бачить експеримент як можливість розширити розуміння людей про хімічні реакції в цілому.

«Ми досліджуємо явища, які, можливо, відбуваються в природі», — сказав Чжу. «Ми можемо спробувати розширити нашу концепцію на інші хімічні реакції. Хоча електронна структура KRb може бути іншою, ідею інтерференції в реакціях можна узагальнити й на інші хімічні системи».