Вперше в історії спостерігається «квантова суперхімія»

Вперше дослідники спостерігали «квантову суперхімію» в лабораторії. Давно теоретизований, але ніколи раніше не бачений, квантова суперхімія — це явище, в якому атоми або молекули в одному квантовому стані хімічно реагують швидше, ніж атоми або молекули, які знаходяться в різних квантових станах. Квантовий стан — це набір характеристик квантової частинки, наприклад спін (момент імпульсу) або рівень енергії. 

Щоб спостерігати цю нову надзаряджену хімію, дослідникам довелося перевести не лише атоми, а цілі молекули в той самий квантовий стан. Однак коли вони це зробили, вони побачили, що хімічні реакції відбуваються колективно, а не окремо. І чим більше атомів було задіяно, тобто чим більша щільність атомів, тим швидше проходили хімічні реакції. 

«Те, що ми побачили, збігалося з теоретичними прогнозами», — сказав у заяві Ченг Чін, професор фізики Чиказького університету, який керував дослідженнями. «Це було науковою метою протягом 20 років, тому це дуже захоплююча ера».

«Те, що ми побачили, збігалося з теоретичними прогнозами», — сказав у заяві Ченг Чін, професор фізики Чиказького університету, який керував дослідженнями. «Це було науковою метою протягом 20 років, тому це дуже захоплююча ера».

Команда повідомила про свої висновки 24 липня в журналі Nature Physics. Вони спостерігали квантову суперхімію в атомах цезію, які сполучалися, утворюючи молекули. По-перше, вони охолодили газ цезію майже до абсолютного нуля, точки, в якій припиняється будь-який рух. У такому охолодженому стані вони могли легко перевести кожен атом цезію в той самий квантовий стан. Потім вони змінили навколишнє магнітне поле, щоб розпочати хімічний зв’язок атомів. 

Ці атоми реагували разом швидше, утворюючи двоатомні молекули цезію, ніж коли дослідники проводили експеримент у звичайному, не переохолодженому газі. Отримані молекули також мали однаковий квантовий стан, принаймні протягом кількох мілісекунд, після чого атоми та молекули починали розпадатися, більше не коливаючись разом. 

«За допомогою цієї техніки ви можете привести молекули в ідентичний стан», — сказав Чін.

Дослідники виявили, що, незважаючи на те, що кінцевим результатом реакції була двоатомна молекула, насправді було задіяно три атоми, причому запасний атом взаємодіяв з двома сполучними атомами таким чином, щоб полегшити реакцію.

Це може бути корисним для застосування у квантовій хімії та квантових обчисленнях, оскільки молекули в одному квантовому стані мають спільні фізичні та хімічні властивості. Експерименти є частиною галузі ультрахолодної хімії, яка має на меті отримати неймовірно детальний контроль над хімічними реакціями, використовуючи переваги квантових взаємодій, які відбуваються в цих холодних станах. Ультрахолодні частинки можна використовувати, наприклад, як кубіти або квантові біти, які несуть інформацію у квантових обчисленнях.

У дослідженні використовувалися лише прості молекули, тому наступною метою є спроба створити квантову суперхімію з більш складними молекулами, сказав Чін.

«Наскільки далеко ми можемо просунути наше розуміння та наші знання про квантову інженерію до більш складних молекул, є головним напрямком досліджень у цьому науковому співтоваристві», — сказав він. Джерело