Учёные из Чикагского университета обнаружили явление, названное «квантовой суперхимией».
Квантовая физика, часто считаемая одной из самых загадочных областей современной науки, предлагает уникальное представление о фундаментальных взаимодействиях материи. В основе этого мира бесконечно малых лежит особое измерение — квантовая суперхимия. Явление, при котором атомы, находящиеся в квантовом состоянии, реагируют коллективно, меняя традиционные химические взаимодействия.
Много лет это оставалось лишь теоретической идеей, но недавние лабораторные эксперименты группы специалистов из Чикагского университета доказали её практическую возможность. Результаты их работы опубликованы в журнале… Способность наблюдать за молекулами во время реакции раскрывает новый взгляд на происходящее.
Сингулярность конденсатов Бозе-Эйнштейна
Квантовая суперхимия тесно связана со специфическим состоянием вещества, именуемым конденсат Бозе-ЭйнштейнаЭтот конденсат появляется при охлаждении атомов до критически низких значений температуры. абсолютному нулю.
При таких температурах атомы теряют свою индивидуальность и объединяются в единое квантовое состояние. В результате их поведение напоминает поведение «мегаатома». Такая сингулярность оказывает глубокое влияние на химию.
В такой обстановке химические реакции игнорируют привычные закономерности. Взаимодействуя сообща, атомы способны порождать реакции и химические соединения, недоступные или практически исключаемые в обычных условиях.
Коллективные реакции
В классической химии реакции часто случаются из-за случайных столкновений атомов или молекул. Каждый атом действует сам по себе, и вероятность столкновения во многом определяет ход и скорость реакции. Квантовая суперхимия меняет это традиционное представление. В этой вселенной атомы не изолированы, а взаимодействуют синхронно.
Группа атомов и молекул, существующих в одинаковом квантовом состоянии, теоретически должна проявлять разное поведение во время химических реакций, но из-за трудностей проведения такого эксперимента наблюдать это не удалось.
Руководитель группы исследований Ченг Чин сообщает в сообщении для прессы: Вы больше не рассматриваете химическую реакцию как столкновение независимых частиц, а как коллективное действие единого целого. «.
Это приводит к тому, что реакция происходит быстрее, чем обычно. Взаимодействие увеличивается с числом атомов в системе.
Идентичные молекулы и взаимодействие трех тел
В ходе экспериментов учёные охлаждали атомы цезия и приводили их в одно и то же квантовое состояние. Затем наблюдали, как атомы взаимодействуют, образуя… молекулыВместо традиционного соединения двух атомов при формировании молекул наблюдается участие трех атомов. Два из них связываются в молекулу, а третий, не являясь пассивным наблюдателем, активизирует реакцию.
Третий атом-помощник может действовать как катализатор, облегчая двум другим атомам преодоление энергетических преград или поиск наилучшего пути для формирования молекулы. Это открытие ставит под сомнение наше представление о механизмах реакций.
Квантовая суперхимия дает возможность получать молекулы, находящиеся в одинаковом квантовом состоянии. В обычном случае создание групп идентичных молекул представляет собой сложность, потому что незначительные изменения в ходе реакций могут вызвать различия в конечных продуктах. Благодаря квантовой суперхимии однородное производство становится не только возможным, но и более надежным.
На пути к новым технологическим рубежам
Открытие может открыть дорогу к новым успехам в области квантовой химии и квантовых вычислений. Группа планирует расширить эксперименты, включив в них более сложные молекулы, хотя сейчас работы ведётся с двухатомными. Чин отмечает, что это достижение подтверждает теоретические прогнозы и открывает новую эпоху после двадцати лет ожидания.
В этой области некоторые специалисты считают молекулы перспективными кубитами для квантовых компьютеров и обработки квантовой информации. Другие ученые видят в них шлюзы для более точных измерений фундаментальных законов и взаимодействий, например, проверки нарушения симметрии – одного из фундаментальных законов Вселенной.