«Квантовую суперхимию» впервые удалось наблюдать в лабораторных экспериментах

Ученые из Чикагского университета обнаружили первое свидетельство явления под названием «квантовая суперхимия». Давно предсказанный, но так, до недавних пор, не подтвержденный, этот эффект может ускорить химические реакции, дать ученым больше контроля над ними и предоставить информацию для квантовых вычислений.


На квантовом уровне частицы ведут себя более чем странно. Атомы могут находиться в нескольких состояниях одновременно, становиться настолько запутанными, что мгновенно обмениваются информацией на любом расстоянии, или туннелировать через барьеры, которые они не должны пересекать. Ученые пытаются использовать эти явления для более мощных вычислений, систем связи и других технологий.

И теперь команда обнаружила первое прямое свидетельство ранее предсказанного квантового эффекта, известного как суперхимия. Все начинается со странного состояния вещества, 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.


— Ченг Чин, руководитель научной группы.

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

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

Ученые также отметили странное явление во время процесса — взаимодействия трех тел происходили чаще, чем двух. По сути, сталкивались три атома, два из которых соединяялись в молекулу, а третий каким-то образом помогал этому процессу.

Результаты исследования могут проложить путь к новым технологиям в квантовой химии, квантовым вычислениям и помочь ученым в изучении законов физики. До сих пор эксперименты в области суперхимии проводилась только с двухатомными молекулами, но команда планирует расширить работу, включив в нее более сложные молекулы.

Исследование было опубликовано в журнале Nature Physics.