«Квантовая суперхимия» впервые наблюдалась в лабораторных экспериментах

Все виды необічного поведения проявляются на квантовом уровне. Атомы могут находиться в нескольких состояниях одновременно, запутываться настолько, что мгновенно обмениваются информацией на любом расстоянии, или создавать туннели через барьеры, которые они не должны пересекать. Ученые пытаются использовать эти явления для более мощных вычислений, систем связи и других технологий.

Теперь команда обнаружила первое прямое свидетельство ранее предсказанного квантового эффекта, известного как суперхимия. Все начинается со странного состояния материи, называемого конденсатом Бозе-Эйнштейна, в котором облако атомов охлаждается почти до абсолютного нуля, заставляя их переходить в одно и то же квантовое состояние и начинать вести себя как один большой атом. Было высказано предположение, что вовлечение атомов в этом состоянии в химические реакции приведет к иным результатам, чем обычно.

В классической химии атомы в смеси будут случайным образом сталкиваться, и при каждом столкновении есть шанс, что они соединятся в молекулу. Но если все атомы находятся в одном и том же квантовом состоянии, теперь они вместо этого выполняют действия вместе.

«Вы больше не рассматриваете химическую реакцию как столкновение между независимыми частицами, а как коллективный процесс», — сказал Ченг Чин, ведущий исследователь исследования. «Все они реагируют вместе, как единое целое».

Для своих экспериментов исследователи охладили атомы цезия до необходимых экстремальных температур, а затем уговорили их перейти в такое же квантовое состояние. И действительно, казалось, что атомы образуют молекулы, напоминающие суперхимию.

Этот процесс имеет несколько последствий, которые отличают его от обычной химии. Во-первых, поскольку все атомы действуют вместе, реакции протекают намного быстрее, и чем больше атомов в системе, тем быстрее. Команда говорит, что все молекулы, которые производятся в конце, находятся в одном и том же состоянии, что полезно для создания больших партий идентичных молекул более надежно, чем с помощью традиционной химии.

Команда также увидела свидетельство странного явления во время процесса — взаимодействия трех тел происходили чаще, чем взаимодействия двух тел. По сути, когда столкнутся три атома, два из которых соединятся в молекулу, а третий каким-то образом поможет этому процессу.

Этот прорыв может помочь проложить путь к новым технологиям в квантовой химии, квантовым вычислениям и помочь ученым в изучении законов физики. До сих пор суперхимия проводилась только с двухатомными молекулами, но команда планирует расширить работу, включив в нее более сложные молекулы.

«То, что мы увидели, совпало с теоретическими предсказаниями», — сказал Чин. «Это была научная цель в течение 20 лет, так что это очень захватывающая эпоха».

Исследование опубликовано в журнале Nature Physics.