Chicagská univerzita odhalila převratné důkazy pro „kvantovou superchemii“, ve které částice ve stejném kvantovém stavu působí kolektivně. Zjištění by mohla vést k pokroku v kvantových výpočtech a poskytnout hlubší vhled do základních zákonů vesmíru.
Průlom může ukázat cestu k základním poznatkům a novým technologiím.
tým z University of Chicago Odhalil první důkazy „kvantové superchemie“ – jevu, při kterém částice ve stejném kvantovém stavu společně podléhají zrychleným interakcím. I když se dříve očekávalo, tento účinek nebyl nikdy předtím v laboratoři pozorován.
Výsledky zveřejněné v přírodní fyzika 24. července otevřete dveře novému oboru. Vědci se živě zajímají o to, co je známé jako „kvantově vylepšené“ chemické reakce, které by mohly mít aplikace v kvantové chemii, Kvantitativní statistikaa další technologie, stejně jako lepší pochopení zákonů vesmíru.
„To, co jsme viděli, je v souladu s teoretickými očekáváními,“ řekl Cheng Chen, profesor fyziky a člen Institutu Jamese Francka a Institutu Enrica Fermiho, jehož laboratoř prováděla výzkum. „Toto byl vědecký cíl již 20 let, takže je to velmi vzrušující éra.“
Vědci oznamují první důkaz „kvantové superchemie“ – jevu, při kterém částice ve stejném kvantovém stavu podléhají zrychleným skupinovým interakcím. Nahoře spoluautoři studie Zhendong Zhang (vlevo) a profesor Cheng Chin v laboratoři. Kredit: John Zech
Zlepšení pozice: proces
Chenova laboratoř se specializuje na práci s molekulami, které existují při extrémně nízkých teplotách. zavřít absolutní nulaČástice mohou korelovat tak, že jsou všechny ve stejném kvantovém stavu – kde mohou vykazovat neobvyklé schopnosti a chování.
Předpokládalo se, že skupina atomů a molekul ve stejném kvantovém stavu se bude během chemických reakcí chovat odlišně, ale obtížnost při organizaci experimentu znamenala, že nebyl nikdy pozorován.
Chenova skupina má zkušenosti s naháněním atomů do kvantových stavů, ale částice jsou větší a složitější než atomy, takže skupina musela vymyslet nové technologie, jak jim čelit.
„Jak daleko můžeme posunout naše chápání a znalosti kvantové geometrie do složitějších částic, to je hlavní směr výzkumu v této vědecké komunitě.“
– Cheng Chen, profesor fyziky
V experimentech vědci ochladili atomy cesia a převedli je do stejného kvantového stavu. Dále sledovali, jak atomy interagují a vytvářejí molekuly.
V běžné chemii se jednotlivé atomy srážejí a pro každou srážku existuje potenciál pro vytvoření molekuly. Kvantová mechanika však předpovídá, že atomy v kvantovém stavu místo toho provádějí kolektivní akce.
Důsledky a výsledky
„Chemickou reakci už nepovažujete za srážku nezávislých částic, ale za kolektivní proces,“ vysvětlil Chen. „Všichni spolu působí jako celek.“
Jedním z důsledků je, že reakce probíhá rychleji, než by tomu bylo za normálních okolností. Ve skutečnosti čím více atomů v systému, tím rychlejší reakce.
Dalším důsledkem je, že konečné molekuly sdílejí stejný molekulární stav. Chen vysvětlil, že stejné molekuly v různých stavech mohou mít různé fyzikální a chemické vlastnosti – ale jsou chvíle, kdy chcete vytvořit skupinu molekul v určitém stavu. V tradiční alchymii házíte kostkami. „Ale s touto technikou můžete nasměrovat molekuly do identického stavu,“ řekl.
Shu Nagata, postgraduální student a spoluautor článku, dodal, že viděli důkazy, že reakce probíhala jako interakce tří těl častěji než interakce dvou těl. To znamená, že se srazí tři atomy. Dvě vytvoří molekulu a třetí zůstane jediná. Ale třetí sehrál určitou roli v reakci.
technologické schopnosti
Tento průlom znamená začátek nové éry. I když experiment používal dvakukuřice Molekuly, existují plány na práci s většími a složitějšími molekulami.
„Jak daleko můžeme posunout naše chápání a znalosti kvantové geometrie do složitějších částic, to je hlavní směr výzkumu v této vědecké komunitě,“ řekl Chen.
Někteří v oboru si představili použití částic jako qubitů v kvantových počítačích nebo například při kvantovém zpracování informací. Jiní vědci je zkoumají jako brány k přesnějšímu měření základních zákonů a interakcí, jako je testování základních zákonů vesmíru, jako je porušení symetrie.
Odkaz: „Multibody Chemical Reactions in a Quantitative Decay Gas“ od Zhendong Zhang, Shu Nagata, Kai-Xuan Yao a Cheng Chin, 24. července 2023, k dispozici zde. přírodní fyzika.
DOI: 10.1038/s41567-023-02139-8
Zhendong Zhang (PhD 22, nyní na Stanfordské univerzitě) a Kai-Xuan Yao (PhD 22, nyní na Citadele) byli spoluautory tohoto článku.
Financování: National Science Foundation, Air Force Office of Scientific Research, Grainger Graduate Fellowship, Takenaka Foundation Scholarship.
Přátelský webový obhájce. Odborník na popkulturu. Bacon ninja. Tvrdý twitterový učenec.
