Kvantsuperkemi uppstår i laboratoriet – Physics World

Kemiska reaktioner är som en dans mellan atomer och molekyler. När dansarna studsar in i varandra kan de reagera för att bilda nya kombinationer, eller så kanske de inte. Hela processen är otroligt komplex och oförutsägbar, med många möjliga utfall.

Ett sätt att förenkla denna dans skulle vara att placera reaktanterna i ett enda, kombinerat kvanttillstånd. Under dessa omständigheter skulle alla reagerande atomer eller molekyler bete sig likadant – mer som en linedance, mindre som en mosh pit – och reaktionen skulle fortgå i en accelererad hastighet. Denna kvantassisterade påskyndning är känd som kvantsuperkemi, och teoretiker har länge förutspått att det borde vara möjligt.

Forskare vid University of Chicago, USA, har nu upptäckt de första experimentella bevisen på kvantsuperkemi i en gas av cesiummolekyler. Resultatet banar väg för en djupare förståelse av kemi och en ökad grad av kontroll över kemiska reaktioner.

Ultrakall kemi

För att uppnå denna bedrift, ett team ledd av Chicago's Cheng Chin började med att ladda cesiumatomer i en optisk fälla och kyla dem till temperaturer nära 0 K. Sådan extrem kylning är typisk inom området för ultrakall kemi eftersom det betyder att de närvarande atomerna och molekylerna endast kan existera i sina kvantgrundtillstånd med lägsta energinivå. . Detta är idealiskt för att studera kemi på dess grundläggande nivå, eftersom det minskar komplexiteten i reaktioner avsevärt.

När cesiumatomerna väl var i detta kollektiva grundtillstånd, som är känt som ett Bose-Einstein Condensate (BEC), använde forskarna ett applicerat magnetfält och en så kallad Feshbach-resonans för att justera styrkan i interaktionerna mellan atomerna. Denna process omvandlar den atomära BEC till en molekylär BEC. Teamet övervakade dynamiken i den molekylskapande reaktionen vid resonansen och fortsatte sedan övervakningen efter att magnetfältet stängdes av. Vid denna tidpunkt avbildade forskarna de oparade atomerna och nyskapade molekylerna oberoende.

Alla för en

När forskarna analyserade sina data fann de att molekylbildningen accelererade med värdet av magnetfältet som motsvarade Feshbach-resonansen. De observerade reaktionerna nådde snabbt en jämvikt och följdes av koherenta oscillationer mellan atomer och molekyler när par bildades och bröts. När magnetfältet stängdes av avklingade reaktionerna långsamt. Särskilt en reaktion känd som trekroppsrekombination, där tre cesiumatomer går samman för att bilda Cs₂ och Cs, gynnades särskilt.

Forskarna analyserade också påverkan av partikelantal på reaktionsdynamiken och fann att den passade bra med en kvantfältsmodell. I synnerhet såg de bevis på den så kallade Bose-förstärkningen – det avslöjande tecknet på kvantaccelererade reaktioner – i de snabbare svängningarna som inträffade vid högre provdensiteter.

Enligt Chin överensstämde dessa experimentella resultat med teoretiska förutsägelser. "Detta har varit ett vetenskapligt mål i 20 år, så det är en mycket spännande era," sa han till University of Chicago presskontor. Traditionell kemi, tillade han, är som att "rulla tärningen", med reaktionsresultat beroende på sannolikhet. Med den nya tekniken kan man styra molekylerna till ett identiskt tillstånd.

Även om detta experiment utfördes med enkla tvåatomsmolekyler, planerar teamet att arbeta sig fram till att hantera större och mer komplexa molekyler. "Hur långt vi kan driva vår förståelse och vår kunskap om kvantteknik, till mer komplicerade molekyler, är en viktig forskningsriktning i det här forskarsamhället," sa Chin.

En specifik typ av kemisk reaktion

Uwe Fischer, en fysiker vid Seoul National University i Korea som inte var involverad i forskningen, noterar att de kemiska reaktionerna som studeras i detta arbete definieras i ett ganska snävt och specifikt sammanhang som kommer att vara obekant för många kemister. Ändå säger han att resultatet är viktigt eftersom det är första gången som superkemi har observerats experimentellt.

Interaktioner mellan ultrakalla molekyler kontrollerade av fysiker

Florian Schreck, en fysiker från University of Amsterdam i Nederländerna som inte heller var involverad i forskningen, håller med om att resultatet är avgörande för denna underavdelning av kvantkemin, eftersom det verifierar något som förutspåddes för länge sedan, men som aldrig tidigare sett. Han tillskriver viss kredit för resultatet till den "utsökta kontroll" som forskarna hade över sin experimentella uppställning, såsom stabiliteten hos magnetfältet. Han tillägger att de kvanteffekter på många kroppar som Chicago-teamet ser på jobbet i en kemisk reaktion förmodligen kan utvidgas till mer komplexa situationer, vilket ger strängare kontroll över reaktioner vid ultrakalla temperaturer. Slutligen noterar Schreck att experimentet lägger till mycket detaljer om vad som händer under en reaktion, vilket borde hjälpa teoretiker att förfina sina modeller.

Forskningen beskrivs i Naturfysik.

• SEO-drivet innehåll och PR-distribution. Bli förstärkt idag.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Styrka dig själv. Tillgång här.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Kunskap förstärkt. Tillgång här.
• Platoesg. Fordon / elbilar, Kol, CleanTech, Energi, Miljö, Sol, Avfallshantering. Tillgång här.
• PlatoHealth. Biotech och kliniska prövningar Intelligence. Tillgång här.
• ChartPrime. Höj ditt handelsspel med ChartPrime. Tillgång här.
• BlockOffsets. Modernisera miljökompensation ägande. Tillgång här.
• Källa: https://physicsworld.com/a/quantum-superchemistry-emerges-in-the-laboratory/