Новый тип химии, который наблюдали при очень низких температурах, обеспечивает более быстрые и более точные реакции.
Давно известная в теории, но ранее не замеченная на практике квантовая суперхимия – это явление, при котором атомы или молекулы в одном квантовом состоянии химически реагируют быстрее, чем атомы или молекулы, находящиеся в различных квантовых состояниях. (Квантовое состояние – это набор характеристик квантовой частицы, например спин (момент импульса) или уровень энергии).
В эксперименте исследователи из Чикагского университета перевели в одинаковое квантовое состояние не только атомы, а целые молекулы, и увидели, что химические реакции происходили коллективно, а не отдельно. И чем больше атомов было задействовано (т.е. чем больше плотность атомов), тем быстрее проходили химические реакции.
«То, что мы увидели, совпадало с теоретическими прогнозами. До этого наука шла 20 лет», — сказал в заявлении Ченг Чин, профессор физики Чикагского университета, возглавлявший исследование.
Лаборатория Чина специализируется на работе с частицами при очень низких температурах, когда атомы могут соединяться так, чтобы находиться в одном квантовом состоянии и проявлять свои необычные способности и поведение.
То же самое сделали с атомами газа цезия, который охладили почти до абсолютного нуля, перевели в одинаковое квантовое состояние и изменили окружающее магнитное поле, чтобы начать химическую связь атомов. В результате двухатомные молекулы цезия образовывались быстрее, чем в обычном тепловом состоянии, и тоже имели одинаковое квантовое состояние – по крайней мере, в течение нескольких миллисекунд, после чего начинали распадаться.
Команда также обнаружила, что, несмотря на то, что конечным результатом реакции была двухатомная молекула, на самом деле в «работе» было задействовано три атома – причем запасной взаимодействовал с двумя соединительными атомами таким образом, чтобы облегчить реакцию.
Результаты эксперимента могут быть полезны для применения в квантовой химии и квантовых вычислениях, а некоторые в отрасли даже предполагают использование молекул в качестве кубитов в квантовых компьютерах или, например, в квантовой обработке информации.
В текущем исследовании ученые использовали простые молекулы, однако планируют попытаться наблюдать квантовую суперхимию с более сложными частицами.
Выводы исследователей были опубликованы в журнале Nature Physics и адаптированы сайтом Space.com.