ซูเปอร์เคมีควอนตัมเกิดขึ้นในห้องปฏิบัติการ - โลกฟิสิกส์

ซูเปอร์เคมีควอนตัมเกิดขึ้นในห้องปฏิบัติการ - โลกฟิสิกส์

Time Stamp: 23 สิงหาคม 2023 8:00

ภาพถ่ายของ Zhendong Zhang และ Cheng Chin ในห้องทดลองที่ชิคาโก พวกเขากำลังมองผ่านสายไฟที่พันกันที่แท่นฉายแสงที่เต็มไปด้วยส่วนประกอบโดยมีห้องสุญญากาศเป็นหัวใจ
อะตอมและโมเลกุล: Cheng Chin (r) และนักวิจัยหลังปริญญาเอก Zhendong Zhang ในห้องปฏิบัติการของมหาวิทยาลัยชิคาโก ซึ่งพวกเขาและเพื่อนร่วมงานได้สังเกตเห็นหลักฐานแรกของซูเปอร์เคมีควอนตัม (เอื้อเฟื้อโดย: John Zich/มหาวิทยาลัยชิคาโก)

ปฏิกิริยาเคมีเปรียบเสมือนการเต้นรำระหว่างอะตอมและโมเลกุล เมื่อนักเต้นกระเด้งเข้าหากัน พวกเขาอาจตอบสนองต่อการรวมกลุ่มใหม่ หรือไม่ก็ได้ กระบวนการทั้งหมดมีความซับซ้อนและคาดเดาไม่ได้ พร้อมด้วยผลลัพธ์ที่เป็นไปได้มากมาย

วิธีหนึ่งที่จะทำให้การเต้นรำนี้ง่ายขึ้นคือการวางสารตั้งต้นให้อยู่ในสถานะควอนตัมที่รวมกันเป็นสถานะเดียว ภายใต้สถานการณ์เหล่านี้ อะตอมหรือโมเลกุลที่ทำปฏิกิริยาทั้งหมดจะมีพฤติกรรมคล้ายกัน - เหมือนการเต้นรำแบบเส้นมากกว่า ไม่เหมือนหลุมมอช - และปฏิกิริยาจะเกิดขึ้นในอัตราเร่ง การเร่งความเร็วด้วยควอนตัมช่วยนี้เรียกว่าซูเปอร์เคมีควอนตัม และนักทฤษฎีได้คาดการณ์มานานแล้วว่าควรจะเป็นไปได้

นักวิจัยจากมหาวิทยาลัยชิคาโก สหรัฐอเมริกา ได้พบหลักฐานการทดลองครั้งแรกเกี่ยวกับเคมียิ่งยวดควอนตัมในก๊าซโมเลกุลของซีเซียม ผลลัพธ์ที่ได้ปูทางไปสู่ความเข้าใจที่ลึกซึ้งยิ่งขึ้นเกี่ยวกับเคมีและการควบคุมปฏิกิริยาเคมีในระดับที่ดีขึ้น

เคมีอุลตร้าคูล

เพื่อให้บรรลุผลสำเร็จนี้ ทีมงานที่นำโดยชิคาโก้ เฉิง ชิน เริ่มต้นด้วยการโหลดอะตอมของซีเซียมลงในกับดักแสงและทำให้พวกมันเย็นลงจนถึงอุณหภูมิใกล้ 0 เคลวิน การระบายความร้อนที่รุนแรงเช่นนี้เป็นเรื่องปกติในสาขาเคมีที่เย็นจัดเป็นพิเศษ เพราะนั่นหมายความว่าอะตอมและโมเลกุลที่มีอยู่สามารถดำรงอยู่ในสถานะพื้นควอนตัมพลังงานต่ำที่สุดเท่านั้น . เหมาะสำหรับการศึกษาวิชาเคมีในระดับพื้นฐาน เนื่องจากจะช่วยลดความซับซ้อนของปฏิกิริยาได้อย่างมาก

เมื่ออะตอมของซีเซียมอยู่ในสถานะพื้นรวมซึ่งเรียกว่า Bose-Einstein Condensate (BEC) นักวิจัยได้ใช้สนามแม่เหล็กประยุกต์และสิ่งที่เรียกว่า Feshbach resonance เพื่อปรับความแรงของปฏิสัมพันธ์ระหว่างอะตอม กระบวนการนี้แปลงอะตอมบีอีซีเป็นโมเลกุลบีอีซี ทีมงานได้ติดตามพลวัตของปฏิกิริยาการสร้างโมเลกุลที่มีการสั่นพ้อง จากนั้นจึงติดตามต่อไปหลังจากปิดสนามแม่เหล็กแล้ว เมื่อมาถึงจุดนี้ นักวิจัยได้ถ่ายภาพอะตอมที่ไม่ได้จับคู่และโมเลกุลที่สร้างขึ้นใหม่อย่างอิสระ

ทั้งหมดเพื่อหนึ่ง

เมื่อนักวิจัยวิเคราะห์ข้อมูล พวกเขาพบว่าการก่อตัวของโมเลกุลเร่งขึ้นตามค่าของสนามแม่เหล็กที่สอดคล้องกับเสียงสะท้อนของ Feshbach ปฏิกิริยาที่สังเกตได้มาถึงจุดสมดุลอย่างรวดเร็ว และตามมาด้วยการสั่นที่สอดคล้องกันระหว่างอะตอมและโมเลกุลเมื่อคู่เกิดขึ้นและแตกออก เมื่อปิดสนามแม่เหล็ก ปฏิกิริยาจะค่อย ๆ สลายตัว โดยเฉพาะอย่างยิ่ง ปฏิกิริยาที่เรียกว่าการรวมตัวกันใหม่ของวัตถุสามตัว โดยที่อะตอมของซีเซียมสามอะตอมมารวมกันเพื่อสร้าง Cs2 และ Cs ได้รับความโปรดปรานเป็นพิเศษ

นักวิจัยยังได้วิเคราะห์อิทธิพลของเลขอนุภาคต่อปฏิกิริยาไดนามิกส์ และพบว่ามันเข้ากันได้ดีกับแบบจำลองสนามควอนตัม โดยเฉพาะอย่างยิ่ง พวกเขาเห็นหลักฐานของสิ่งที่เรียกว่าการปรับปรุง Bose ซึ่งเป็นสัญญาณบอกเล่าของปฏิกิริยาเร่งด้วยควอนตัม ในการแกว่งที่เร็วขึ้นซึ่งเกิดขึ้นที่ความหนาแน่นของตัวอย่างที่สูงขึ้น

ตามที่ Chin กล่าว ผลการทดลองเหล่านี้สอดคล้องกับการคาดการณ์ทางทฤษฎี “นี่เป็นเป้าหมายทางวิทยาศาสตร์มาเป็นเวลา 20 ปีแล้ว ดังนั้นมันจึงเป็นยุคที่น่าตื่นเต้นมาก” เขากล่าว สำนักพิมพ์มหาวิทยาลัยชิคาโก. เขากล่าวเสริมว่าเคมีแบบดั้งเดิมก็เหมือนกับ "การทอยลูกเต๋า" โดยผลลัพธ์ของปฏิกิริยาขึ้นอยู่กับความน่าจะเป็น ด้วยเทคนิคใหม่นี้ เราสามารถควบคุมโมเลกุลให้อยู่ในสถานะที่เหมือนกันได้

แม้ว่าการทดลองนี้จะดำเนินการกับโมเลกุลสองอะตอมที่เรียบง่าย แต่ทีมงานก็วางแผนที่จะพยายามจัดการกับโมเลกุลที่ใหญ่กว่าและซับซ้อนมากขึ้น “เราสามารถผลักดันความเข้าใจและความรู้ของเราเกี่ยวกับวิศวกรรมควอนตัมไปสู่โมเลกุลที่ซับซ้อนมากขึ้นได้ไกลแค่ไหน ถือเป็นทิศทางการวิจัยที่สำคัญในชุมชนวิทยาศาสตร์นี้” Chin กล่าว

ปฏิกิริยาเคมีชนิดหนึ่ง

ยูเว่ ฟิชเชอร์นักฟิสิกส์จากมหาวิทยาลัยแห่งชาติโซลในประเทศเกาหลีที่ไม่เกี่ยวข้องกับการวิจัย ตั้งข้อสังเกตว่าปฏิกิริยาเคมีที่ศึกษาในงานนี้ได้รับการกำหนดไว้ในบริบทที่ค่อนข้างแคบและเฉพาะเจาะจงซึ่งนักเคมีหลายคนไม่คุ้นเคย อย่างไรก็ตาม เขากล่าวว่าผลลัพธ์ที่ได้มีความสำคัญเนื่องจากนับเป็นครั้งแรกที่มีการสังเกตปรากฏการณ์เคมียิ่งยวดจากการทดลอง

ฟลอเรียน ชเรคนักฟิสิกส์จากมหาวิทยาลัยอัมสเตอร์ดัมในเนเธอร์แลนด์ซึ่งไม่ได้มีส่วนร่วมในการวิจัยเช่นกัน ตกลงว่าผลลัพธ์มีความสำคัญอย่างยิ่งต่อส่วนย่อยของเคมีควอนตัมนี้ เนื่องจากเป็นการยืนยันบางสิ่งที่ทำนายไว้เมื่อนานมาแล้ว แต่ไม่เคย เคยเห็นมาก่อน เขาให้เครดิตกับผลลัพธ์นี้ว่ามาจาก "การควบคุมที่ยอดเยี่ยม" ที่นักวิจัยมีต่อการตั้งค่าการทดลอง เช่น ความเสถียรของสนามแม่เหล็ก เขาเสริมว่าผลกระทบควอนตัมหลายตัวที่ทีมชิคาโกเห็นในปฏิกิริยาเคมีอาจขยายไปสู่สถานการณ์ที่ซับซ้อนมากขึ้น ทำให้สามารถควบคุมปฏิกิริยาที่อุณหภูมิเย็นจัดได้เข้มงวดยิ่งขึ้น สุดท้าย Schreck ตั้งข้อสังเกตว่าการทดลองเพิ่มรายละเอียดมากมายเกี่ยวกับสิ่งที่เกิดขึ้นระหว่างปฏิกิริยา ซึ่งจะช่วยให้นักทฤษฎีปรับแต่งแบบจำลองของตนได้

งานวิจัยได้อธิบายไว้ใน ฟิสิกส์ธรรมชาติ.

ประทับเวลา:

เพิ่มเติมจาก โลกฟิสิกส์