科學家在實驗室中觀察到“量子超化學”的第一個證據(jù)

奇怪的事情發(fā)生在量子水平上。整個粒子云可能會糾纏在一起，當他們作為一個整體行事時，他們的個性就會消失。

現(xiàn)在，科學家們首次觀察到，超冷原子冷卻到量子態(tài)，作為一個集體進行化學反應(yīng)，而不是在偶然碰撞后隨意形成新分子。

“我們看到的與理論預測一致，”說芝加哥大學物理學家、該研究的資深作者Cheng Chin?！斑@已經(jīng)是20年的科學目標，所以這是一個非常令人興奮的時代。

所有粒子、原子和分子都以熱能嗡嗡作響，在其原子結(jié)構(gòu)的范圍內(nèi)振動或與物質(zhì)中的其他分子一起推擠。將顆粒冷卻到超冷溫度會使它們進入不那么混亂的狀態(tài);將它們固定在光學陷阱中也限制了他們的運動。

幾十年前，科學家表明，隨著溫度降至接近絕對零度，顆粒甚至開始嚙合成礫巖，具有共享量子標識;他們的個人屬性被開始占主導地位的奇怪的集體行為所沖刷。

不過，分子比原子更難馴服。但到了2019年，科學家們已經(jīng)找到了辦法自爭吵他們也進入共享量子態(tài)。

從那里，科學家預測，如果分子凝聚或一起當被引誘進入相同的量子態(tài)時，量子景觀中可能會有一種全新的化學反應(yīng)。

在某些情況下，這種共享的量子態(tài)，稱為量子簡并，被認為抑制化學反應(yīng)在一定速率遠為大比低溫通常減緩化學反應(yīng)。

研究人員還認為，如果這些分子“耦合”在一起并作為一個整體反應(yīng)，共享量子態(tài)的分子可能會產(chǎn)生加速的化學反應(yīng)。但是，與任何探索量子領(lǐng)域的實驗，這種理論化的行為一直很難觀察到。

“到目前為止，對這些多體現(xiàn)象（也稱為'超化學'）的觀察一直難以捉摸，”Chin及其同事。在他們發(fā)表的論文中寫道.

在他們的嘗試中，Chin及其同事持有一種超冷氣體銫光學陷阱中的原子，將它們以共享的量子態(tài)結(jié)合。然后研究人員誘導化學反應(yīng)，通過打開磁場將它們轉(zhuǎn)化為分子，并分析反應(yīng)動力學。

他們的結(jié)果表明，簡并量子氣體與普通氣體中的化學反應(yīng)確實遵循不同的規(guī)則。

在臨界溫度以下，研究小組觀察到粒子碰撞急劇下降。與此同時，他們測量了當原子在化學反應(yīng)中消失時分子的快速形成 - 粒子已經(jīng)進入量子簡并狀態(tài)，反應(yīng)發(fā)生的速度比普通條件下更快。

“臨界溫度Tc附近分子形成速率的急劇轉(zhuǎn)變表明經(jīng)典和量子簡并狀態(tài)中的不同定律，”Chin及其同事寫.

磁場關(guān)閉后，剩余的原子和分子也以相干耦合振蕩幾毫秒。進一步的實驗揭示了潛在的反應(yīng)機理，研究人員對此進行了研究。描述作為“量子增強”化學過程的證據(jù)。

然而，這些實驗涉及簡單的雙原子分子的創(chuàng)造，因此在確定我們所看到的之前，該團隊的發(fā)現(xiàn)需要重復。更大、更復雜的分子的實驗也在進行中。

“在量子簡并態(tài)中觀察相干和集體化學反應(yīng)為探索多體物理學和超冷化學之間的相互作用鋪平了道路，”研究人員說。結(jié)束.

該研究已發(fā)表在自然物理學.

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