За първи път изследователи наблюдаваха "квантова суперхимия" в лаборатория.
Квантовата суперхимия е явление, при което атоми или молекули в едно и също квантово състояние реагират химически по-бързо, отколкото атоми или молекули, които са в различни квантови състояния. Квантовото състояние е набор от характеристики на квантова частица, като например спин (ъглов момент) или енергийно ниво.
За да наблюдават тази нова свръхнатоварена химия, изследователите е трябвало да вкарат не само атоми, но и цели молекули в едно и също квантово състояние. Когато това се случило, те видели, че химичните реакции протичат колективно, а не поотделно. И колкото повече атоми участват, т.е. колкото по-голяма е плътността на атомите, толкова по-бързо протичат химичните реакции.
"Това, което видяхме, съвпадна с теоретичните прогнози", казва в изявление Ченг Чин, професор по физика в Чикагския университет, който ръководи изследването. "Това беше научна цел в продължение на 20 години, така че това е много вълнуваща ера."
Екипът съобщава своите открития на 24 юли в списание Nature Physics. Те са наблюдавали квантовата свръххимия в цезиеви атоми, които се свързват в двойки, за да образуват молекули. Първо, те охлаждат цезиевия газ до температура, близка до абсолютната нула - точката, в която всяко движение се прекратява. В това охладено състояние те могат да улеснят всеки цезиев атом в едно и също квантово състояние. След това променили заобикалящото ги магнитно поле, за да стартират химическото свързване на атомите.
Тези атоми реагират по-бързо заедно, за да образуват двуатомни цезиеви молекули, отколкото когато изследователите провеждат експеримента в нормален, неохладен газ. Получените молекули също така споделят едно и също квантово състояние, поне в продължение на няколко милисекунди, след което атомите и молекулите започват да се разпадат, като вече не осцилират заедно.
"С тази техника можете да насочите молекулите към идентично състояние", казва Чин.
Изследователите откриват, че макар крайният резултат от реакцията да е двуатомна молекула, в действителност участват три атома, като един резервен атом взаимодейства с двата свързващи се атома по начин, който улеснява реакцията.
Това може да бъде полезно за приложения в квантовата химия и квантовите компютри, тъй като молекулите в едно и също квантово състояние имат общи физични и химични свойства. Експериментите са част от областта на свръхстудената химия, която има за цел да постигне невероятно подробен контрол върху химичните реакции, като се възползва от квантовите взаимодействия, които се проявяват в тези студени състояния. Ултрастудените частици биха могли да се използват като кюбити, или квантови битове, които носят информация в квантовите компютри например.
В изследването са използвани само прости молекули, така че следващата цел е да се опитаме да създадем квантова свръххимия с по-сложни молекули, каза Чин.
"Доколко можем да разширим разбирането си и познанията си за квантовото инженерство, за да се насочим към по-сложни молекули, е основна насока на изследванията в тази научна общност", каза той.
Снимка: Unsplash
Виж още: Ядрени бомби са поставили началото на нова геоложка епоха през 50-те години на миналия век