Eine bahnbrechende Entdeckung von Wissenschaftlern der University of Chicago

Ein Durchbruch kann den Weg zu grundlegenden Erkenntnissen und neuen Technologien weisen.

Team von Universität von Chicago Er enthüllte den ersten Beweis für „Quantensuperchemie“ – ein Phänomen, bei dem Teilchen im gleichen Quantenzustand gemeinsam beschleunigte Wechselwirkungen eingehen. Obwohl zuvor erwartet, wurde dieser Effekt noch nie im Labor beobachtet.

Ergebnisse veröffentlicht in Naturphysik Öffnen Sie am 24. Juli die Tür zu einem neuen Feld. Wissenschaftler sind sehr an sogenannten „quantenverstärkten“ chemischen Reaktionen interessiert, die in der Quantenchemie Anwendung finden könnten. Quantitative Statistikund andere Technologien sowie ein besseres Verständnis der Gesetze des Universums.

„Was wir gesehen haben, entspricht den theoretischen Erwartungen“, sagte Cheng Chen, Professor für Physik und Mitglied des James Franck Institute und des Enrico Fermi Institute, in dessen Labor die Forschung durchgeführt wurde. „Dies ist seit 20 Jahren ein wissenschaftliches Ziel, es ist also eine sehr aufregende Ära.“

Wissenschaftler geben den ersten Beweis für „Quantensuperchemie“ bekannt – ein Phänomen, bei dem Teilchen im gleichen Quantenzustand beschleunigte Gruppenwechselwirkungen eingehen. Oben: Die Co-Autoren der Studie, Zhendong Zhang (links) und Professor Cheng Chin, im Labor. Bildnachweis: John Zech

Posenverbesserung: der Prozess

Chens Labor ist auf die Arbeit mit Molekülen spezialisiert, die bei extrem niedrigen Temperaturen existieren. schließen Absoluter NullpunktTeilchen können so korrelieren, dass sie sich alle im selben Quantenzustand befinden – wo sie ungewöhnliche Fähigkeiten und Verhaltensweisen zeigen können.

Es wurde die Hypothese aufgestellt, dass sich eine Gruppe von Atomen und Molekülen im gleichen Quantenzustand bei chemischen Reaktionen unterschiedlich verhalten würde, aber die Schwierigkeit bei der Organisation des Experiments führte dazu, dass dies nie beobachtet wurde.

Chens Gruppe hat Erfahrung darin, Atome in Quantenzustände zu treiben, aber Teilchen sind größer und komplexer als Atome, daher musste die Gruppe neue Technologien entwickeln, um dem entgegenzuwirken.

„Wie weit wir unser Verständnis und Wissen der Quantengeometrie auf komplexere Teilchen übertragen können, ist eine wichtige Forschungsrichtung in dieser wissenschaftlichen Gemeinschaft.“

– Cheng Chen, Professor für Physik

In Experimenten kühlten Wissenschaftler Cäsiumatome ab und brachten sie in denselben Quantenzustand. Als nächstes beobachteten sie, wie die Atome miteinander interagierten und Moleküle bildeten.

In der gewöhnlichen Chemie kollidieren einzelne Atome, und bei jeder Kollision besteht die Möglichkeit, ein Molekül zu bilden. Die Quantenmechanik sagt jedoch voraus, dass Atome im Quantenzustand stattdessen kollektive Aktionen ausführen.

Implikationen und Ergebnisse

„Man betrachtet eine chemische Reaktion nicht mehr als Kollision unabhängiger Teilchen, sondern als kollektiven Prozess“, erklärte Chen. „Sie alle interagieren als Ganzes.“

Eine Folge davon ist, dass die Reaktion schneller abläuft als unter normalen Bedingungen. Tatsächlich ist die Reaktion umso schneller, je mehr Atome in einem System vorhanden sind.

Eine weitere Konsequenz ist, dass die endgültigen Moleküle denselben Molekülzustand aufweisen. Chen erklärte, dass dieselben Moleküle in verschiedenen Zuständen unterschiedliche physikalische und chemische Eigenschaften haben können – aber manchmal möchte man eine Gruppe von Molekülen in einem bestimmten Zustand erstellen. In der traditionellen Alchemie würfeln Sie. „Aber mit dieser Technik kann man die Moleküle in einen identischen Zustand versetzen“, sagte er.

Shu Nagata, ein Doktorand und Co-Autor der Arbeit, fügte hinzu, dass sie Hinweise darauf sahen, dass die Reaktion häufiger als Drei-Körper-Wechselwirkung stattfände als als Zwei-Körper-Wechselwirkung. Das heißt, drei Atome werden kollidieren. Zwei bilden ein Molekül und der dritte bleibt einzeln. Aber der Dritte spielte bei der Reaktion eine gewisse Rolle.

technologische Fähigkeiten

Dieser Durchbruch markiert den Beginn einer neuen Ära. Obwohl das Experiment zwei verwendeteMais Moleküle gibt es Pläne, mit größeren und komplexeren Molekülen zu arbeiten.

„Wie weit wir unser Verständnis und Wissen der Quantengeometrie auf komplexere Teilchen übertragen können, ist eine wichtige Forschungsrichtung in dieser wissenschaftlichen Gemeinschaft“, sagte Chen.

Einige auf diesem Gebiet haben sich vorgestellt, Teilchen beispielsweise als Qubits in Quantencomputern oder in der Quanteninformationsverarbeitung zu verwenden. Andere Wissenschaftler erforschen sie als Zugang zu präziseren Messungen grundlegender Gesetze und Wechselwirkungen, beispielsweise zum Testen grundlegender Gesetze des Universums wie Symmetrieverletzungen.

Referenz: „Multibody Chemical Reactions in a Quantitative Decay Gas“ von Zhendong Zhang, Shu Nagata, Kai-Xuan Yao und Cheng Chin, 24. Juli 2023, hier verfügbar. Naturphysik.
DOI: 10.1038/s41567-023-02139-8

Zhendong Zhang (PhD 22, jetzt an der Stanford University) und Kai-Xuan Yao (PhD 22, jetzt bei Citadel) waren Co-Autoren des Artikels.

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