«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.
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.
Вы больше не рассматриваете химическую реакцию как столкновение между независимыми частицами, а как коллективный процесс Все они реагируют вместе, как единое целое. То, что мы увидели, совпало с теоретическими предсказаниями. В течение 20 лет мы шли к этому эксперименту, так что это очень захватывающая эпоха
— 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.
Наши новостные каналы
Подписывайтесь и будьте в курсе свежих новостей и важнейших событиях дня.
Рекомендуем для вас
Контрабандисты оккупировали Восточную Африку: зачем черных муравьев тайно вывозят в Китай и Европу?
Эксперты предупреждают: такой вывоз в итоге закончится непоправимой экологической катастрофой...
В мире заканчивается речной песок: чем это грозит человечеству?
Ученые говорят, что это самая не замечаемая, а оттого опасная проблема, которая уже касается миллионов людей...
К 2060 году половина плотин в мире выйдет из строя: США — главные в черном списке
Эксперты говорят: если не принять меры, часть Соединенных Штатов может полностью опустеть...
В России снова захотели строить железную дорогу в Индию: почему не удались прошлые попытки?
Эксперты говорят: дерзкий проект мог бы принести российской казне миллиардные прибыли...
За рамками науки: дети, которые помнят свои прошлые жизни
Ученые говорят, что феномена реинкарнации нет, но факты утверждают обратное...
Кольца на деревьях раскрыли тайну гибели последней империи кочевников в Евразии
Поразительно, но падение Джунгарского ханства началось за тысячи километров от Азии, в Северной Атлантике...
Самый наглый археологический фейк в истории: итальянец 20 лет показывал туристам фальшивый амфитеатр Цезаря
Судебный процесс длилось почти десятилетие, но даже сейчас эта история очень далека от завершения...
Тайна огней Марфы, 150 лет не дававшая покоя ученым, похоже, разгадана
Болотный газ? Огни святого Эльма? НЛО? Ответ оказался намного проще и сложнее одновременно...
Немецкий ученый был главным в секретной ракетной программе: однажды он вышел из кабинета и исчез навсегда
Как операция «Дамоклов меч» пресекла главную военную операцию целого государства...
«Сувенир» от неандертальцев: секреты этих мутаций не разгаданы до конца
Они живут в ДНК 47 000 лет, но почему их совсем нет у африканцев, зато много у жителей Южной Азии...
Авокадо ежедневно меняет пол, и исследователи, наконец, выяснили, как именно
Почему селекционеры и ботаники ждали этого открытия более 100 лет?...
Этим книгам осталось жить считаные дни: кто охотится на очень редкие экземпляры, а затем уничтожает их?
Эксперты бьют тревогу: это, пожалуй, самый циничный поворот в истории книгопечатания...