Proveržis gali parodyti kelią į esmines įžvalgas ir naujas technologijas.

komanda Čikagos universitetas Jis atskleidė pirmuosius „kvantinės superchemijos“ įrodymus – reiškinį, kai toje pačioje kvantinėje būsenoje esančios dalelės kartu patiria pagreitintą sąveiką. Nors anksčiau tikėtasi, šis poveikis niekada nebuvo pastebėtas laboratorijoje.

Rezultatai paskelbti m gamtos fizika Liepos 24 dieną atverkite duris į naują lauką. Mokslininkai labai domisi vadinamosiomis „kvantine patobulintomis“ cheminėmis reakcijomis, kurios galėtų būti pritaikytos kvantinėje chemijoje, Kiekybinė statistikair kitas technologijas, taip pat geriau suprasti visatos dėsnius.

„Tai, ką matėme, atitinka teorinius lūkesčius“, – sakė fizikos profesorius Chengas Chenas, Jameso Francko instituto ir Enrico Fermi instituto, kurio laboratorija atliko tyrimą, narys. „Tai buvo mokslo tikslas 20 metų, todėl tai labai jaudinanti era“.

Mokslininkai skelbia pirmuosius „kvantinės superchemijos“ įrodymus – reiškinį, kai toje pačioje kvantinėje būsenoje esančios dalelės patiria pagreitintą grupių sąveiką. Aukščiau, tyrimo bendraautoriai Zhendong Zhang (kairėje) ir profesorius Cheng Chin laboratorijoje. Kreditas: Johnas Zechas

Pozos tobulinimas: procesas

Cheno laboratorija specializuojasi dirbant su molekulėmis, kurios egzistuoja itin žemoje temperatūroje. Uždaryti absoliutus nulisDalelės gali koreliuoti taip, kad jos visos būtų toje pačioje kvantinėje būsenoje, kur jos gali parodyti neįprastus sugebėjimus ir elgesį.

Buvo iškelta hipotezė, kad atomų ir molekulių grupė, esanti toje pačioje kvantinėje būsenoje, cheminių reakcijų metu elgsis skirtingai, tačiau eksperimento organizavimo sunkumai lėmė, kad jis niekada nebuvo pastebėtas.

Cheno grupė yra patyrusi bandydama suvaryti atomus į kvantines būsenas, tačiau dalelės yra didesnės ir sudėtingesnės nei atomai, todėl grupė turėjo sukurti naujas technologijas, kaip joms atremti.

„Kaip toli galime perkelti savo supratimą ir žinias apie kvantinę geometriją į sudėtingesnes daleles, yra pagrindinė šios mokslo bendruomenės tyrimų kryptis.

– Cheng Chen, fizikos profesorius

Eksperimentų metu mokslininkai atvėsino cezio atomus ir įtikino juos į tą pačią kvantinę būseną. Tada jie stebėjo, kaip atomai sąveikauja formuodami molekules.

Įprastoje chemijoje susiduria atskiri atomai, ir kiekvieno susidūrimo metu gali susidaryti molekulė. Tačiau kvantinė mechanika numato, kad kvantinės būsenos atomai atlieka kolektyvinius veiksmus.

Pasekmės ir rezultatai

„Cheminę reakciją jau traktuojate ne kaip nepriklausomų dalelių susidūrimą, o kaip kolektyvinį procesą“, – paaiškino Chenas. „Jie visi bendrauja kartu, kaip visuma.”

Viena iš pasekmių yra ta, kad reakcija vyksta greičiau nei įprastomis aplinkybėmis. Tiesą sakant, kuo daugiau atomų sistemoje, tuo greitesnė reakcija.

Kita pasekmė yra ta, kad galutinės molekulės turi tą pačią molekulinę būseną. Chenas paaiškino, kad tos pačios molekulės skirtingose ​​būsenose gali turėti skirtingas fizines ir chemines savybes, tačiau kartais norite sukurti tam tikros būsenos molekulių grupę. Tradicinėje alchemijoje metate kauliuką. „Tačiau naudodami šią techniką galite nukreipti molekules į identišką būseną”, – sakė jis.

Shu Nagata, absolventas ir bendraautoris šiame dokumente, pridūrė, kad jie matė įrodymų, kad reakcija vyksta kaip trijų kūnų sąveika dažniau nei dviejų kūnų sąveika. Tai yra, trys atomai susidurs. Du sudarys molekulę, o trečioji išliks viena. Tačiau trečiasis suvaidino tam tikrą vaidmenį reakcijoje.

technologines galimybes

Šis proveržis žymi naujos eros pradžią. Nors eksperimente buvo naudojami dukukurūzai Molekulių, planuojama dirbti su didesnėmis ir sudėtingesnėmis molekulėmis.

„Tai, kiek mes galime perkelti savo supratimą ir žinias apie kvantinę geometriją į sudėtingesnes daleles, yra pagrindinė šios mokslo bendruomenės tyrimų kryptis“, – sakė Chenas.

Kai kurie šioje srityje numatė naudoti daleles kaip kubitus kvantiniuose kompiuteriuose arba, pavyzdžiui, apdorojant kvantinę informaciją. Kiti mokslininkai juos tyrinėja kaip vartus į tikslesnius pagrindinių dėsnių ir sąveikos matavimus, pavyzdžiui, tikrina pagrindinius visatos įstatymus, tokius kaip simetrijos pažeidimas.

Nuoroda: „Daugikūnių cheminės reakcijos kiekybinėse skilimo dujose“, Zhendong Zhang, Shu Nagata, Kai-Xuan Yao ir Cheng Chin, 2023 m. liepos 24 d., pasiekiama čia. gamtos fizika.
DOI: 10.1038/s41567-023-02139-8

Zhendong Zhang (22 daktaro laipsnis, dabar Stanfordo universitete) ir Kai-Xuan Yao (22 daktaro laipsnis, dabar Citadelėje) buvo šio straipsnio bendraautoriai.

Finansavimas: Nacionalinis mokslo fondas, oro pajėgų mokslinių tyrimų biuras, Graingerio absolventų stipendija, Takenaka fondo stipendija.