Квантовая физика, часто воспринимаемая как одна из самых загадочных отраслей современной науки, предлагает уникальный взгляд на фундаментальные взаимодействия материи. В основе этого мира бесконечно малых лежит особое измерение — квантовая суперхимия. Это явление, при котором атомы, находящиеся в квантовом состоянии, реагируют коллективно, изменяя традиционные химические взаимодействия.
Долгое время это было теоретической концепцией, однако недавно группа специалистов из Чикагского университета провела лабораторные эксперименты, которые позволили реализовать это явление на практике. Их работа, опубликованная в журнале , открывает путь к новому пониманию химических реакций.
Сингулярность конденсатов Бозе-Эйнштейна
Квантовая суперхимия неразрывно связана с особым состоянием вещества, известным как конденсат Бозе-Эйнштейна. Этот конденсат образуется в результате процесса охлаждения атомов до чрезвычайно низких температур, приближающихся к абсолютному нулю.
При таких температурах атомы теряют свою индивидуальность и сливаются в единое квантовое состояние. При этом они ведут себя так, как будто являются «мегаатомом». Эта сингулярность имеет глубокие последствия для химии.
Когда химические реакции протекают в таком контексте, они не подчиняются обычным правилам. Атомы, действуя коллективно, могут генерировать реакции и химические продукты, которые в обычных условиях были бы невозможны или крайне маловероятны.
Коллективные реакции
В классической химии реакции часто являются результатом случайных столкновений между атомами или молекулами. Каждый атом действует независимо, и именно вероятность столкновения в значительной степени определяет ход и скорость реакции. Однако квантовая суперхимия переворачивает это традиционное представление. Как уже говорилось, в этой вселенной атомы уже не являются изолированными образованиями, а взаимодействуют между собой синхронно.
Хотя теоретически предполагалось, что группа атомов и молекул, находящихся в одном и том же квантовом состоянии, будет вести себя по-разному в ходе химических реакций, из-за сложности организации эксперимента это никогда не наблюдалось.
Ченг Чин, руководитель исследовательской группы, поясняет в пресс-релизе: «Вы больше не рассматриваете химическую реакцию как столкновение между независимыми частицами, а как коллективный процесс. Они реагируют все вместе, как единое целое«.
Одним из следствий этого является то, что реакция протекает быстрее, чем в обычных условиях. Фактически, чем больше атомов в системе, тем быстрее протекает реакция.
Идентичные молекулы и взаимодействие трех тел
В ходе экспериментов ученые охлаждали атомы цезия и приводили их в одинаковое квантовое состояние. Затем они наблюдали, как атомы вступают в реакцию, образуя молекулы. Но вместо классического взаимодействия двух атомов при образовании молекулы было замечено, что в этом процессе часто участвуют три атома. Два из них объединяются для образования молекулы, а третий, вместо того чтобы быть простым «зрителем», активно способствует реакции.
Этот «третий атом-помощник» может выступать в роли катализатора, помогая двум другим атомам преодолевать энергетические барьеры или находить оптимальный путь для образования молекулы. Это открытие бросает вызов нашему пониманию механизмов реакций.
Квантовая суперхимия также позволяет получать молекулы, находящиеся в одном и том же квантовом состоянии. В классическом случае получение партий одинаковых молекул представляет собой сложную задачу, поскольку незначительные отклонения в ходе реакций могут привести к различиям в конечных продуктах. Однако благодаря квантовой суперхимии такое однородное производство становится не только возможным, но и более надежным.
На пути к новым технологическим рубежам
Это открытие может проложить путь к новым достижениям в области квантовой химии и квантовых вычислений. Хотя текущие эксперименты ограничены двухатомными молекулами, группа планирует включить в них более сложные молекулы. Как отмечает Чин, это достижение согласуется с теоретическими предсказаниями и знаменует начало захватывающей эры после двух десятилетий ожидания.
Некоторые специалисты в этой области предполагают использовать молекулы в качестве кубитов, например, в квантовых компьютерах или при обработке квантовой информации. Другие ученые рассматривают их как шлюзы для еще более точных измерений фундаментальных законов и взаимодействий, в частности, для проверки фундаментальных законов Вселенной, таких как нарушение симметрии.