Революционное открытие ученых Чикагского университета

Прорыв может указать путь к фундаментальным открытиям и новым технологиям.

команда Чикагский университет Он представил первое свидетельство «квантовой суперхимии» — явления, при котором частицы в одном и том же квантовом состоянии вместе подвергаются ускоренному взаимодействию. Ранее ожидалось, что этот эффект никогда раньше не наблюдался в лаборатории.

Результаты опубликованы в физика природы 24 июля откройте дверь в новое поле. Ученых очень интересуют так называемые химические реакции с квантовым усилением, которые могут найти применение в квантовой химии. Количественная статистикаи другие технологии, а также лучшее понимание законов Вселенной.

«То, что мы увидели, соответствует теоретическим ожиданиям», — сказал Ченг Чен, 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».

Ученые объявляют о первом свидетельстве «квантовой суперхимии» — явления, при котором частицы в одном и том же квантовом состоянии подвергаются ускоренным групповым взаимодействиям. Выше соавторы исследования Чжэндун Чжан (слева) и профессор Ченг Чин в лаборатории. Кредит: Джон Зек

Улучшение позы: процесс

Лаборатория Чена специализируется на работе с молекулами, которые существуют при экстремально низких температурах. закрывать абсолютный нольЧастицы могут коррелировать так, что все они находятся в одном и том же квантовом состоянии, где они могут проявлять необычные способности и поведение.

Была выдвинута гипотеза, что группа атомов и молекул в одном и том же квантовом состоянии будет вести себя по-разному во время химических реакций, но сложность в организации эксперимента означала, что это никогда не наблюдалось.

Группа Чена имеет опыт перевода атомов в квантовые состояния, но частицы крупнее и сложнее атомов, поэтому группе пришлось разработать новые технологии, чтобы противостоять им.

«Насколько далеко мы можем продвинуть наше понимание и знание квантовой геометрии в более сложных частицах, является основным направлением исследований в этом научном сообществе».

— Ченг Чен, профессор физики

В экспериментах ученые охлаждали атомы цезия и переводили их в одно и то же квантовое состояние. Затем они наблюдали, как атомы взаимодействуют, образуя молекулы.

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

Последствия и результаты

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

Одним из следствий является то, что реакция происходит быстрее, чем в нормальных условиях. Фактически, чем больше атомов в системе, тем быстрее протекает реакция.

Другим следствием является то, что конечные молекулы имеют одно и то же молекулярное состояние. Чен объяснил, что одни и те же молекулы в разных состояниях могут иметь разные физические и химические свойства, но бывают случаи, когда нужно создать группу молекул в определенном состоянии. В традиционной алхимии 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 взаимодействие двух тел. То есть столкнутся три атома. Два образуют молекулу, а третий останется одиночным. А вот третий сыграл определенную роль в реакции.

технологические возможности

Этот прорыв знаменует собой начало новой эры. Хотя в эксперименте использовались двакукуруза Молекулы, есть планы по работе с более крупными и сложными молекулами.

«Насколько далеко мы можем продвинуть наше понимание и знание квантовой геометрии в более сложных частицах, является основным направлением исследований в этом научном сообществе», — сказал Чен.

Некоторые в этой области предполагают использование частиц в качестве кубитов в квантовых компьютерах или, например, в квантовой обработке информации. Другие ученые изучают их как врата для более точных измерений фундаментальных законов и взаимодействий, таких как проверка фундаментальных законов Вселенной, таких как нарушение симметрии.

Ссылка: «Многочастичные химические реакции в газе количественного распада», Чжэндун Чжан, Шу Нагата, Кай-Суан Яо и Ченг Чин, 24 июля 2023 г., доступно здесь. физика природы.
DOI: 10.1038/s41567-023-02139-8

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

Финансирование: Национальный научный фонд, Управление научных исследований ВВС, стипендия Grainger Graduate Fellowship, стипендия Takenaka Foundation.