A Chicagói Egyetem tudósainak úttörő felfedezése

A Chicagói Egyetem úttörő bizonyítékot tárt fel a „kvantum szuperkémiára”, amelyben az azonos kvantumállapotú részecskék együttesen hatnak. Az eredmények a kvantumszámítástechnika fejlődéséhez vezethetnek, és mélyebb betekintést nyújthatnak az univerzum alapvető törvényeibe.

Az áttörés utat mutathat az alapvető felismerések és az új technológia felé.

csapata Chicagói Egyetem Felfedte a „kvantum szuperkémia” első bizonyítékát – egy olyan jelenséget, amelyben az azonos kvantumállapotú részecskék együtt gyorsított kölcsönhatásokon mennek keresztül. Bár korábban várható volt, ezt a hatást még soha nem figyelték meg a laboratóriumban.

Eredmények közzététele: természetfizika Július 24-én nyissunk ajtót egy új mezőre. A tudósokat élénken érdeklik az úgynevezett „kvantum-növelt” kémiai reakciók, amelyek a kvantumkémiában is alkalmazhatók lehetnek. Mennyiségi statisztikaés más technológiák, valamint az univerzum törvényeinek jobb megértése.

„Amit láttunk, az összhangban van az elméleti elvárásokkal” – mondta Cheng Chen, a fizika professzora, a James Franck Intézet és az Enrico Fermi Intézet tagja, amelynek laboratóriumában a kutatást végezték. „Ez egy tudományos cél 20 éve, tehát ez egy nagyon izgalmas korszak.”

A tudósok bejelentik a „kvantum szuperkémia” első bizonyítékát – egy olyan jelenséget, amelyben az azonos kvantumállapotú részecskék felgyorsult csoportkölcsönhatásokon mennek keresztül. Fent a tanulmány társszerzői, Zhendong Zhang (balra) és Cheng Chin professzor a laborban. hitel: John Zech

Póz javítása: a folyamat

Chen laboratóriuma rendkívül alacsony hőmérsékleten létező molekulákkal való munkavégzésre specializálódott. Bezárás abszolút nullaA részecskék képesek korrelálni, így mindegyik ugyanabban a kvantumállapotban van – ahol szokatlan képességeket és viselkedést mutathatnak.

Feltételezték, hogy az azonos kvantumállapotú atomok és molekulák egy csoportja eltérően viselkedik a kémiai reakciók során, de a kísérlet megszervezésének nehézsége azt jelentette, hogy soha nem figyelték meg.

Chen csoportja tapasztalt az atomok kvantumállapotokba terelésében, de a részecskék nagyobbak és összetettebbek, mint az atomok, ezért a csoportnak új technológiákat kellett kidolgoznia ellenük.

„A tudományos közösség egyik fő kutatási iránya, hogy a kvantumgeometria megértését és tudását milyen messzire tudjuk tolni a bonyolultabb részecskékre.”

– Cheng Chen, a fizika professzora

Kísérletek során a tudósok lehűtötték a céziumatomokat, és ugyanabba a kvantumállapotba hozták őket. Ezután megfigyelték, ahogy az atomok kölcsönhatásba lépnek molekulákká.

A közönséges kémiában az egyes atomok ütköznek, és minden egyes ütközésnél fennáll a molekula kialakulásának lehetősége. A kvantummechanika azonban azt jósolja, hogy a kvantumállapotú atomok kollektív cselekvéseket hajtanak végre.

Következmények és eredmények

„A kémiai reakciót már nem független részecskék ütközéseként kezeli, hanem kollektív folyamatként” – magyarázta Chen. „Mindannyian kölcsönhatásba lépnek egymással, mint egész.”

Ennek egyik következménye, hogy a reakció gyorsabban megy végbe, mint normál körülmények között. Valójában minél több atom van egy rendszerben, annál gyorsabb a reakció.

Egy másik következmény az, hogy a végső molekulák azonos molekulaállapotúak. Chen kifejtette, hogy ugyanazon molekulák különböző állapotúak eltérő fizikai és kémiai tulajdonságokkal rendelkezhetnek – de vannak esetek, amikor molekulák csoportját akarjuk létrehozni egy adott állapotban. A hagyományos alkímiában Ön dob a kockával. „De ezzel a technikával a molekulákat azonos állapotba irányíthatja” – mondta.

Shu Nagata, a tanulmány egyik végzős hallgatója és társszerzője hozzátette, hogy bizonyítékot láttak arra vonatkozóan, hogy a reakció három test kölcsönhatásaként megy végbe, gyakrabban, mint két test kölcsönhatásaként. Vagyis három atom fog ütközni. Kettő molekulát alkot, a harmadik pedig egyetlen marad. De a harmadik szerepet játszott a reakcióban.

technológiai képességek

Ez az áttörés egy új korszak kezdetét jelzi. Bár a kísérlet kétkukorica Molekulák, a tervek szerint nagyobb és összetettebb molekulákkal dolgoznak.

„A tudományos közösség egyik fő kutatási iránya, hogy a kvantumgeometria megértését és tudását milyen messzire tudjuk tolni a bonyolultabb részecskékre” – mondta Chen.

Néhányan a területen képzelték el, hogy részecskéket qubitként használnak kvantumszámítógépekben vagy például kvantuminformáció-feldolgozásban. Más tudósok az alapvető törvények és kölcsönhatások pontosabb mérésére szolgáló átjáróként kutatják őket, például az univerzum alapvető törvényeit, például a szimmetria megsértését tesztelik.

Hivatkozás: „Többtestű kémiai reakciók kvantitatív bomlási gázban”, Zhendong Zhang, Shu Nagata, Kai-Xuan Yao és Cheng Chin, 2023. július 24., elérhető itt. természetfizika.
DOI: 10.1038/s41567-023-02139-8

Zhendong Zhang (PhD 22, jelenleg a Stanford Egyetemen) és Kai-Xuan Yao (PhD 22, jelenleg a Citadellában) voltak a cikk társszerzői.

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