En banbrytande upptäckt av forskare vid University of Chicago

By | August 9, 2023

Koncept konst av kemi upptäckt

University of Chicago har avslöjat banbrytande bevis för “kvantsuperkemi”, där partiklar i samma kvanttillstånd agerar kollektivt. Upptäckten kan leda till framsteg inom kvantberäkning och erbjuda djupare insikter i universums grundläggande lagar.

Upptäckten kan visa vägen till grundläggande insikter och ny teknik.

Ett team från Fynden, publicerade i

“Det vi såg är i linje med teoretiska förutsägelser”, säger Cheng Chin, professor i fysik och medlem av James Franck Institute och Enrico Fermi Institute, vars laboratorium utförde forskningen. “Detta har varit ett vetenskapligt mål i 20 år, så det är en väldigt spännande era.”

Quantum Superchemistry Laboratory

Forskare har meddelat de första bevisen för “kvantsuperkemi” – ett fenomen där partiklar i samma kvanttillstånd genomgår kollektivt accelererade reaktioner. Ovan, studiemedförfattarna Zhendong Zhang (till vänster) och Prof. Cheng Chin i labbet. Kredit: John Zich

Bose-förbättring: processen

Chins labb är specialiserat på att arbeta med partiklar som hålls vid mycket, mycket låga temperaturer. närma sig

Det var en teori om att en grupp atomer och molekyler i samma kvanttillstånd skulle bete sig annorlunda under kemiska reaktioner, men svårigheten att orkestrera experimentet gjorde att det aldrig hade observerats.

Chins grupp har erfarenhet av att gruppera atomer i kvanttillstånd, men molekyler är större och mycket mer komplexa än atomer – så gruppen var tvungen att uppfinna nya tekniker för att ordna dem.

“Hur långt vi kan ta vår förståelse och vår kunskap om kvantteknik, i mer komplicerade molekyler, är en viktig forskningsriktning i detta forskarsamhälle.”

Cheng Chin, professor i fysik

I experimenten kylde forskarna cesiumatomerna och förde dem till samma kvanttillstånd. Sedan såg de hur atomerna reagerade för att bilda molekyler.

I vanlig kemi skulle enskilda atomer kollidera, och det finns en sannolikhet att varje kollision kommer att bilda en molekyl. Kvantmekaniken förutspår dock att atomer i ett kvanttillstånd kollektivt utför handlingar.

Implikationer och konsekvenser

“Du behandlar inte längre en kemisk reaktion som en kollision mellan oberoende partiklar, utan som en kollektiv process”, förklarade Chin. “De reagerar alla tillsammans, som en helhet.”

En konsekvens är att reaktionen sker snabbare än under normala förhållanden. Faktum är att ju fler atomer det finns i systemet, desto snabbare reaktion.

En annan konsekvens är att de slutliga molekylerna delar samma molekylära tillstånd. Chin förklarade att samma molekyler i olika tillstånd kan ha olika fysikaliska och kemiska egenskaper – men det finns tillfällen då du vill skapa en sats av molekyler i ett specifikt tillstånd. I traditionell kemi slår man tärningen. “Men med den här tekniken kan du styra molekylerna till ett identiskt tillstånd,” sa han.

Shu Nagata, en doktorand och medförfattare till tidningen, tillade att han såg bevis på att reaktionen inträffade som en trekroppsinteraktion oftare än som en tvåkroppsinteraktion. Det vill säga tre atomer skulle kollidera; två skulle bilda en molekyl och den tredje skulle förbli singel. Men den tredje spelade en viss roll i motreaktionen.

Tekniska möjligheter

Detta framsteg signalerar början på en ny era. Även om experimentet använde två

Zhendong Zhang (PhD’22, nu vid Stanford University) och Kai-Xuan Yao (PhD’22, nu vid Citadel) var också medförfattare på tidningen.

Finansiering: National Science Foundation, Air Force Office of Scientific Research, Grainger Graduate Fellowship, Takenaka Scholarship Foundation.

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *