Ученые наблюдают первое свидетельство «квантовой суперхимии» в лаборатории

На квантовом уровне происходят странные вещи. Целые облака частиц могут запутаться, а их индивидуальность потеряться, поскольку они действуют как единое целое.

Теперь ученые впервые наблюдали, как ультрахолодные атомы, охлажденные до квантового состояния, химически реагируют коллективно, а не бессистемно. образование новых молекул после случайного столкновения друг с другом.

«То, что мы увидели, совпало с теоретическими предсказаниями», — говорит Ченг Чин, физик из Чикагского университета и старший автор исследования. «Это была научная цель в течение 20 лет, так что это очень захватывающая эра».

Все частицы, атомы и молекулы жужжат от тепловой энергии, вибрируя в пределах своей атомной структуры или толкаясь рядом с другими молекул в веществе. Охлаждение частиц до сверхнизких температур переводит их в менее хаотичное состояние; закрепление их в оптической ловушке также ограничивает их движение.

Десятилетия назад ученые показали, что когда температура упала почти до абсолютного нуля, частицы даже начали объединяться в конгломераты с общей квантовой идентичностью; их индивидуальные свойства были размыты странным коллективным поведением, которое начало доминировать.

Однако молекулы гораздо труднее приручить, чем атомы. Но в 2019 году ученые нашли способ привести и их к общим квантовым состояниям.

Отсюда ученые предсказали, что если молекулы объединятся или слипнутся, когда их заманят в одно и то же квантовое состояние, может появиться совершенно новое своего рода химия внутри квантового ландшафта.

В некоторых случаях было замечено, что это общее квантовое состояние, известное как квантовое вырождение, подавляет химические реакции со скоростью, намного большей, чем низкие температуры обычно замедляют химические реакции.

p>

Исследователи также считали, что молекулы, имеющие общее квантовое состояние, могут вызывать ускоренные химические реакции, если эти молекулы «соединены» вместе и реагируют как единое целое. Однако, как и в случае любых экспериментов, исследующих квантовую сферу, это теоретическое поведение было трудно наблюдать.

«Наблюдение за этими явлениями многих тел, также известными как «суперхимия», до сих пор было неуловимым, Чин и его коллеги пишут в своей опубликованной статье.

В своей попытке Чин и его коллеги удерживали ультрахолодный газ из атомов цезия в оптической ловушке, связывая их в общем квантовом состоянии. Затем исследователи вызвали химическую реакцию, чтобы превратить их в молекулы, включив магнитное поле, и проанализировали динамику реакции.

Их результаты показывают, что химические реакции действительно следуют другим правилам в вырожденном квантовом газе по сравнению с нормальным газом.

При температуре ниже критической команда наблюдала резкое падение числа столкновений частиц. Тем временем они измерили быстрое образование молекул по мере того, как атомы исчезали в химической реакции — частицы вошли в квантово-вырожденный режим, и реакции происходили быстрее, чем в обычных условиях.

«Резкий переход Скорость образования молекул вблизи критической температуры Tc указывает на разные законы в классическом и квантовом вырожденных режимах», — пишут Чин и его коллеги.

После выключения магнитного поля оставшиеся атомы и молекулы также зависали в когерентная связь, колеблющаяся в течение нескольких миллисекунд. Дальнейшие эксперименты выявили лежащий в основе механизм реакции, который исследователи описывают как свидетельство «квантово-усиленного» химического процесса.

Однако эксперименты включали создание простых двухатомных молекул, поэтому выводы команды нужно будет повторить, прежде чем мы сможем быть уверены в том, что видим. Планируются также эксперименты с более крупными и сложными молекулами.

«Наблюдение за когерентными и коллективными химическими реакциями в режиме квантового вырождения прокладывает путь к изучению взаимодействия между физикой многих тел и химией ультрахолода, — заключают исследователи.

Исследование опубликовано в журнале Nature Physics.