Een baanbrekende ontdekking door wetenschappers van de Universiteit van Chicago

Een doorbraak kan de weg wijzen naar fundamentele inzichten en nieuwe technologie.

team van Universiteit van Chicago Hij onthulde het eerste bewijs van “kwantumsuperchemie” – een fenomeen waarbij deeltjes in dezelfde kwantumtoestand samen versnelde interacties ondergaan. Hoewel eerder verwacht, is dit effect nog nooit eerder in het laboratorium waargenomen.

Resultaten gepubliceerd in natuur fysica Open op 24 juli de deur naar een nieuw veld. Wetenschappers zijn zeer geïnteresseerd in wat bekend staat als “kwantumverbeterde” chemische reacties, die toepassingen zouden kunnen hebben in de kwantumchemie, Kwantitatieve statistiekenen andere technologieën, evenals een beter begrip van de wetten van het universum.

“Wat we hebben gezien, komt overeen met de theoretische verwachtingen”, zegt Cheng Chen, een professor in de natuurkunde en lid van het James Franck Institute en het Enrico Fermi Institute, wiens laboratorium het onderzoek heeft uitgevoerd. “Dit is al 20 jaar een wetenschappelijk doel, dus het is een heel opwindend tijdperk.”

Wetenschappers kondigen het eerste bewijs aan van “kwantumsuperchemie” – een fenomeen waarbij deeltjes in dezelfde kwantumtoestand versnelde groepsinteracties ondergaan. Hierboven, studie co-auteurs Zhendong Zhang (links) en professor Cheng Chin in het lab. Krediet: John Zech

Poseverbetering: het proces

Het laboratorium van Chen is gespecialiseerd in het werken met moleculen die bestaan ​​bij extreem lage temperaturen. dichtbij absolute nulpuntDeeltjes kunnen correleren zodat ze allemaal in dezelfde kwantumtoestand verkeren – waar ze ongebruikelijke vermogens en gedragingen kunnen vertonen.

Er werd verondersteld dat een groep atomen en moleculen in dezelfde kwantumtoestand zich anders zou gedragen tijdens chemische reacties, maar de moeilijkheid om het experiment te organiseren betekende dat het nooit werd waargenomen.

Chen’s groep is ervaren in het hoeden van atomen in kwantumtoestanden, maar deeltjes zijn groter en complexer dan atomen, dus de groep moest nieuwe technologieën bedenken om ze tegen te gaan.

“Hoe ver we ons begrip en onze kennis van kwantumgeometrie kunnen doordrukken naar complexere deeltjes, is een belangrijke onderzoeksrichting in deze wetenschappelijke gemeenschap.”

– Cheng Chen, hoogleraar natuurkunde

In experimenten koelden wetenschappers cesiumatomen af ​​en brachten ze over naar dezelfde kwantumtoestand. Vervolgens keken ze hoe de atomen op elkaar inwerkten om moleculen te vormen.

In de gewone chemie botsen individuele atomen, en voor elke botsing is er een mogelijkheid om een ​​molecuul te vormen. De kwantummechanica voorspelt echter dat atomen in de kwantumtoestand in plaats daarvan collectieve acties uitvoeren.

Implicaties en resultaten

“Je behandelt een chemische reactie niet langer als een botsing van onafhankelijke deeltjes, maar als een collectief proces”, legt Chen uit. “Ze werken allemaal samen, als een geheel.”

Een gevolg is dat de reactie sneller verloopt dan onder normale omstandigheden. Hoe meer atomen in een systeem, hoe sneller de reactie.

Een ander gevolg is dat de uiteindelijke moleculen dezelfde moleculaire toestand delen. Chen legde uit dat dezelfde moleculen in verschillende toestanden verschillende fysische en chemische eigenschappen kunnen hebben, maar soms wil je een groep moleculen in een specifieke toestand creëren. In traditionele alchemie gooi je met de dobbelstenen. “Maar met deze techniek kun je de moleculen in een identieke staat brengen”, zei hij.

Shu Nagata, een afgestudeerde student en co-auteur van het artikel, voegde eraan toe dat ze bewijs zagen dat de reactie vaker voorkwam als een interactie met drie lichamen dan als een interactie met twee lichamen. Dat wil zeggen, drie atomen zullen botsen. Twee zullen een molecuul vormen en de derde blijft single. Maar de derde speelde een rol in de reactie.

technologische mogelijkheden

Deze doorbraak markeert het begin van een nieuw tijdperk. Hoewel het experiment er twee gebruiktemaïs Moleculen, er zijn plannen om met grotere en complexere moleculen te werken.

“Hoe ver we ons begrip en onze kennis van kwantumgeometrie kunnen doordrijven naar complexere deeltjes, is een belangrijke onderzoeksrichting in deze wetenschappelijke gemeenschap, ” zei Chen.

Sommigen in het veld hebben zich voorgesteld om deeltjes te gebruiken als qubits in bijvoorbeeld kwantumcomputers of in kwantuminformatieverwerking. Andere wetenschappers onderzoeken ze als toegangspoorten tot nauwkeurigere metingen van fundamentele wetten en interacties, zoals het testen van fundamentele wetten van het universum, zoals schending van symmetrie.

Referentie: “Multibody Chemical Reactions in a Quantitative Decay Gas” door Zhendong Zhang, Shu Nagata, Kai-Xuan Yao en Cheng Chin, 24 juli 2023, hier beschikbaar. natuur fysica.
DOI: 10.1038/s41567-023-02139-8

Zhendong Zhang (PhD 22, nu aan de Stanford University) en Kai-Xuan Yao (PhD 22, nu aan de Citadel) waren co-auteurs van de paper.

Financiering: National Science Foundation, Air Force Office of Scientific Research, Grainger Graduate Fellowship, Takenaka Foundation Scholarship.