科學(xué)家在實(shí)驗(yàn)室中觀察到“量子超化學(xué)”的第一個(gè)證據(jù)

奇怪的事情發(fā)生在量子水平上。整個(gè)粒子云可能會(huì)糾纏在一起，當(dāng)他們作為一個(gè)整體行事時(shí)，他們的個(gè)性就會(huì)消失。

現(xiàn)在，科學(xué)家們首次觀察到，超冷原子冷卻到量子態(tài)，作為一個(gè)集體進(jìn)行化學(xué)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(yù)測(cè)一致，”說(shuō)芝加哥大學(xué)物理學(xué)家、該研究的資深作者Cheng Chin?！斑@已經(jīng)是20年的科學(xué)目標(biāo)，所以這是一個(gè)非常令人興奮的時(shí)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(dòng)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(huì)使它們進(jìn)入不那么混亂的狀態(tài);將它們固定在光學(xué)陷阱中也限制了他們的運(yùn)動(dòng)。

幾十年前，科學(xué)家表明，隨著溫度降至接近絕對(duì)零度，顆粒甚至開(kāi)始嚙合成礫巖，具有共享量子標(biāo)識(shí);他們的個(gè)人屬性被開(kāi)始占主導(dǎo)地位的奇怪的集體行為所沖刷。

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

從那里，科學(xué)家預(yù)測(cè)，如果分子凝聚或一起當(dāng)被引誘進(jìn)入相同的量子態(tài)時(shí)，量子景觀中可能會(huì)有一種全新的化學(xué)反應(yīng)。

在某些情況下，這種共享的量子態(tài)，稱(chēng)為量子簡(jiǎn)并，被認(rèn)為抑制化學(xué)反應(yīng)在一定速率遠(yuǎn)為大比低溫通常減緩化學(xué)反應(yīng)。

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

“到目前為止，對(duì)這些多體現(xiàn)象（也稱(chēng)為'超化學(xué)'）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(xiě)道.

在他們的嘗試中，Chin及其同事持有一種超冷氣體銫光學(xué)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(dǎo)化學(xué)反應(yīng)，通過(guò)打開(kāi)磁場(chǎng)將它們轉(zhuǎn)化為分子，并分析反應(yīng)動(dòng)力學(xué)。

他們的結(jié)果表明，簡(jiǎn)并量子氣體與普通氣體中的化學(xué)反應(yīng)確實(shí)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(shí)，他們測(cè)量了當(dāng)原子在化學(xué)反應(yīng)中消失時(shí)分子的快速形成 - 粒子已經(jīng)進(jìn)入量子簡(jiǎn)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(jiǎn)并狀態(tài)中的不同定律，”Chin及其同事寫(xiě).

磁場(chǎng)關(guān)閉后，剩余的原子和分子也以相干耦合振蕩幾毫秒。進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)揭示了潛在的反應(yīng)機(jī)理，研究人員對(duì)此進(jìn)行了研究。描述作為“量子增強(qiáng)”化學(xué)過(guò)程的證據(jù)。

然而，這些實(shí)驗(yàn)涉及簡(jiǎn)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(tuán)隊(duì)的發(fā)現(xiàn)需要重復(fù)。更大、更復(fù)雜的分子的實(shí)驗(yàn)也在進(jìn)行中。

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

該研究已發(fā)表在自然物理學(xué).

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