Квантовая сверххимия — это явление, при котором атомы или молекулы, находящиеся в одном и том же квантовом состоянии, вступают в химические реакции быстрее, чем атомы или молекулы, находящиеся в разных квантовых состояниях, что давно предполагалось, но никогда ранее не наблюдалось. Квантовое состояние — это набор характеристик квантовой частицы, таких как спин (угловой момент) или энергетический уровень.
Чтобы наблюдать новую химическую реакцию, исследователям пришлось переводить в одно и то же квантовое состояние не только атомы, но и целые молекулы. Но когда это удалось, они увидели, что химические реакции происходят не по отдельности, а коллективно. И чем больше атомов было задействовано, то есть чем выше была плотность атомов, тем быстрее протекали химические реакции.
«То, что мы увидели, совпадает с теоретическими предсказаниями», — сказал в своем заявлении Ченг Чин, профессор физики Чикагского университета, возглавлявший исследование. «Это было научной целью в течение 20 лет».
Группа исследователей сообщила о своих результатах 24 июля в журнале Nature Physics. Они наблюдали квантовую сверххимию в атомах цезия, которые объединялись в пары и образовывали молекулы. Сначала они охладили газообразный цезий до температуры, близкой к абсолютному нулю, т.е. до точки, в которой прекращается всякое движение. В таком охлажденном состоянии каждый атом цезия мог находиться в одном и том же квантовом состоянии. Затем они изменили окружающее магнитное поле, чтобы запустить химическую реакцию между атомами.
Эти атомы быстрее вступали в реакцию, образуя двухатомные молекулы цезия, чем при проведении эксперимента в обычном, неохлажденном газе. Полученные молекулы также имели одно и то же квантовое состояние, по крайней мере, в течение нескольких миллисекунд, после чего атомы и молекулы начинали распадаться и больше не колебались вместе.
«С помощью этой техники можно привести молекулы в идентичное состояние», — сказал Чин.
Исследователи обнаружили, что хотя конечным результатом реакции является двухатомная молекула, на самом деле в ней участвуют три атома, а взаимодействие запасного атома с двумя связанными атомами способствует протеканию реакции.
Это может оказаться полезным для применения в квантовой химии и квантовых вычислениях, поскольку молекулы, находящиеся в одном и том же квантовом состоянии, обладают общими физическими и химическими свойствами. Эксперименты относятся к области ультрахолодной химии, целью которой является получение невероятно детального контроля над химическими реакциями за счет использования квантовых взаимодействий, происходящих в холодных состояниях. Ультрахолодные частицы могут быть использованы, например, в качестве кубитов, или квантовых битов, которые хранят информацию в квантовых вычислениях.
В исследовании использовались только простые молекулы, поэтому следующая цель — попытаться создать квантовую суперхимию с помощью более сложных молекул, сказал Чин.
«Насколько далеко мы сможем продвинуть наше понимание и наши знания о квантовой инженерии, перейдя к более сложным молекулам, — вот основное направление исследований в этом научном сообществе», — сказал он.
Нет комментариев