„Квантова суперхимия“, наблюдавана в лабораторни експерименти за първи път

Учени от Чикагския университет откриха първите доказателства за феномен, наречен „квантова суперхимия“. Дълго прогнозиран, но никога не потвърждаван, този ефект може да ускори химичните реакции, да даде на учените повече контрол върху тях и да информира квантовите изчисления.

В квантовия мащаб се появяват всякакви призрачни поведения. Атомите могат да съществуват в множество състояния едновременно, да се заплитат толкова много, че да споделят информация мигновено на всяко разстояние, или да преминават през бариери, които не би трябвало да могат да преминат. Учените се опитват да се възползват от тези явления за по-мощни компютри, комуникационни системи и други технологии.

И сега екип откри първото пряко доказателство за предварително предсказан квантов ефект, известен като суперхимия. Започва със странно състояние на материята, наречено кондензат на Бозе-Айнщайн, при което облак от атоми се охлажда до почти абсолютна нула, което ги кара да влязат в същото квантово състояние и да започнат да се държат като един голям атом. Предполага се, че привличането на атоми в това състояние в химични реакции би довело до различни резултати от обичайните.

В класическата химия атомите в смес се сблъскват на случаен принцип и при всеки сблъсък има шанс те да се свържат, за да образуват молекула. Но ако всички атоми са в едно и също квантово състояние, вместо това те извършват действия заедно.

„Вече не разглеждате химическата реакция като сблъсък между независими частици, а като колективен процес“, каза Ченг Чин, водещ изследовател на изследването. „Всички те реагират заедно, като едно цяло.“

За своите експерименти изследователите охлаждат цезиевите атоми до необходимите екстремни температури, след което ги привеждат в същото квантово състояние. И със сигурност атомите изглежда образуваха молекули по начин, който приличаше на суперхимия.

Този процес има няколко последствия, които го отличават от обикновената стара химия. От една страна, тъй като всички атоми действат заедно, реакциите протичат много по-бързо – и става още по-бързо, колкото повече атоми има в системата. Молекулите, които се произвеждат в крайна сметка, споделят едно и също състояние, казва екипът, което е полезно за създаване на големи партиди от идентични молекули по-надеждно, отколкото чрез традиционната химия.

Екипът също видя доказателства за странен феномен по време на процеса – взаимодействията на три тела се случват по-често от взаимодействията на две тела. По същество три атома ще се сблъскат, като два ще се свържат, за да образуват молекула, а третият ще подпомогне процеса по някакъв начин.

Този пробив може да помогне да се проправи пътя за нови технологии в квантовата химия, квантовите изчисления и да помогне на учените да изучават законите на физиката. Досега тази суперхимия е провеждана само с двуатомни молекули, но екипът планира да разшири работата, за да включи по-сложни молекули.

„Това, което видяхме, е в съответствие с теоретичните прогнози“, каза Чин. „Това е научна цел от 20 години, така че е много вълнуваща ера.“

Изследването е публикувано в списанието Природна физика.

източник: Чикагски университет