量子超化学が実験室で出現 – Physics World

化学反応は原子と分子の間のダンスのようなものです。 ダンサーが互いに跳ね合うと、反応して新しい組み合わせを形成する場合もあれば、そうでない場合もあります。 プロセス全体は非常に複雑で予測不可能であり、多くの結果が考えられます。

このダンスを単純化する XNUMX つの方法は、反応物を単一の結合量子状態に置くことです。 このような状況下では、反応するすべての原子または分子は同様に動作し、モッシュピットというよりはラインダンスに似た動作となり、反応は加速度的に進行します。 この量子支援による高速化は量子超化学として知られており、理論家たちは長い間それが可能であると予測してきました。

米国シカゴ大学の研究者らは、セシウム分子のガス中で量子超化学の最初の実験的証拠を発見した。 その結果、化学をより深く理解し、化学反応の制御をより高度に行うための道が開かれます。

超低温化学

この偉業を達成するために、シカゴのチームが率いました。 チェン・チン セシウム原子を光トラップに装填し、0 Kに近い温度まで冷却することから始まりました。このような極端な冷却は、存在する原子や分子が最低エネルギーの量子基底状態でしか存在できないことを意味するため、超低温化学の分野では一般的です。 。 これは反応の複雑さを大幅に軽減するため、化学を基礎レベルで研究するのに理想的です。

セシウム原子がボース・アインシュタイン凝縮（BEC）として知られる集合基底状態になると、研究者らは印加磁場といわゆるフェシュバッハ共鳴を利用して原子間の相互作用の強さを調整した。 このプロセスは、原子 BEC を分子 BEC に変換します。 研究チームは共鳴時の分子生成反応のダイナミクスを監視し、磁場を止めた後も監視を続けた。 この時点で、研究者らは不対原子と新しく生成された分子を個別に画像化した。

すべてをXNUMXつに

研究者らがデータを分析したところ、フェシュバッハ共鳴に相当する磁場の値で分子形成が加速したことが判明した。 観察された反応はすぐに平衡に達し、その後、原子と分子の間でペアの形成と切断に伴うコヒーレントな振動が起こりました。 磁場のスイッチを切ると、反応はゆっくりと減衰しました。 特に、XNUMX つのセシウム原子が集まって C を形成する、三体再結合として知られる反応です。₂ と Cs が特に気に入りました。

研究者らはまた、反応ダイナミクスに対する粒子数の影響を分析し、それが量子場のモデルによく適合していることを発見しました。 特に、彼らは、より高いサンプル密度で発生するより速い振動において、いわゆるボーズ増強（量子加速反応の明らかな兆候）の証拠を確認しました。

チン氏によれば、これらの実験結果は理論的予測と一致したという。 「これは20年来の科学的目標であり、非常にエキサイティングな時代です」と彼は語った。 シカゴ大学プレスオフィス。 従来の化学は「サイコロを振る」ようなもので、反応の結果は確率に依存すると同氏は付け加えた。 新しい技術を使えば、分子を同一の状態に導くことができる。

この実験は単純な XNUMX 原子分子を​​使って行われましたが、研究チームはさらに大きくて複雑な分子を扱うことも計画しています。 「私たちの理解と量子工学の知識をより複雑な分子にどこまで押し込めるかが、この科学界における主要な研究の方向性だ」とチン氏は語った。

特定の種類の化学反応

ウーヴェ・フィッシャー韓国のソウル国立大学の物理学者で、この研究には関与していないが、この研究で研究された化学反応は、多くの化学者にはなじみのない、かなり狭くて特殊な文脈で定義されていると指摘している。 それにもかかわらず、超化学が実験的に観察されたのは初めてであるため、この結果は重要であると彼は言う。

物理学者が制御する極低温分子間の相互作用

フロリアン・シュレックオランダのアムステルダム大学の物理学者で、同じく研究には関与していなかったが、この結果は、ずっと前に予測されたものの、実際には実現されなかった何かを検証するものであるため、この結果は量子化学のこのサブセクションにとって重要であることに同意する。以前見た。 同氏は、この結果の一部は、磁場の安定性など、研究者らが実験装置に対して行った「絶妙な制御」によるものだと考えている。 同氏は、シカゴの研究チームが化学反応における多体量子効果を確認したことは、おそらくより複雑な状況にも拡張でき、極低温での反応をより厳密に制御できると付け加えた。 最後に、シュレック氏は、この実験により、反応中に何が起こるかについて多くの詳細が追加され、理論家がモデルを改良するのに役立つはずであると述べています。

研究はで説明されています 自然物理学.

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• 情報源： https://physicsworld.com/a/quantum-superchemistry-emerges-in-the-laboratory/