Ученые демонстрируют сохранение квантовой когерентности в химической реакции с участием ультрахолодных молекул

Ученые демонстрируют сохранение квантовой когерентности в химической реакции с участием ультрахолодных молекул
молекула

Кредит: CC0 Public Domain

Если вы приблизите химическую реакцию к квантовому уровню, вы заметите, что частицы ведут себя как волны, которые могут пульсировать и сталкиваться. Ученые давно пытались понять квантовую когерентность, способность частиц поддерживать фазовые соотношения и существовать в нескольких состояниях одновременно; это похоже на синхронизацию всех частей волны. Оставался открытым вопрос, может ли квантовая когерентность сохраняться в результате химической реакции, в которой связи динамически разрываются и образуются.

Теперь группа ученых из Гарварда впервые продемонстрировала сохранение квантовой когерентности в химической реакции с участием ультрахолодных молекул. Эти результаты подчеркивают потенциал использования химических реакций для будущих приложений в квантовой информатике.

«Я чрезвычайно горжусь нашей работой по исследованию очень фундаментального свойства химической реакции, когда мы действительно не знали, каким будет результат», — сказал старший соавтор Кан-Куэн Ни, профессор химии Теодора Уильяма Ричардса и профессор химии. Физика. «Было очень приятно провести эксперимент, чтобы узнать, что говорит нам мать-природа».

В статье, опубликованной в НаукаИсследователи подробно описывают, как они изучали конкретную химическую реакцию атомного обмена в ультрахолодной среде с участием 40К87Бищелочные молекулы Rb, где две молекулы калия-рубидия (KRb) реагируют с образованием калия (K2) и рубидий (Rb2) продукты.

Команда подготовила первоначальные ядерные спины в молекулах KRb в запутанном состоянии, манипулируя магнитными полями, а затем исследовала результат с помощью специализированных инструментов. В ультрахолодной среде Лаборатория Ni смогла отслеживать степени свободы ядерного спина и наблюдать сложную квантовую динамику, лежащую в основе процесса и результата реакции.

Работу провели несколько сотрудников лаборатории Ни, в том числе И-Сян Лю, Линбан Чжу, Джешурун Люк, Дж. Дж. Арфор Хоуман, Марк К. Бабин и Мин-Гуан Ху.

Используя лазерное охлаждение и магнитную ловушку, команда смогла охладить свои молекулы всего лишь до доли градуса выше абсолютного нуля. В этой ультрахолодной среде (всего 500 наноКельвинов) молекулы замедляются, что позволяет ученым изолировать, манипулировать и обнаруживать отдельные квантовые состояния с поразительной точностью. Этот контроль облегчает наблюдение квантовых эффектов, таких как суперпозиция, запутанность и когерентность, которые играют фундаментальную роль в поведении молекул и химических реакциях.

Используя сложные методы, в том числе обнаружение совпадений, позволяющие исследователям выбирать точные пары продуктов реакции из отдельных событий реакции, исследователи смогли точно сопоставить и описать продукты реакции. Ранее они наблюдали, что распределение энергии между вращательным и поступательным движением молекул продукта является хаотичным. Поэтому удивительно обнаружить квантовый порядок в форме когерентности в той же основной динамике реакции, на этот раз в степени свободы ядерного спина.

Результаты показали, что квантовая когерентность сохранялась в пределах степени свободы ядерного спина на протяжении всей реакции. Сохранение когерентности означало, что молекулы продукта K2 и Рб2, находились в запутанном состоянии, унаследовав запутанность от реагентов. Более того, намеренно вызывая декогеренцию реагентов, исследователи продемонстрировали контроль над распределением продуктов реакции.

В дальнейшем Ни надеется строго доказать, что молекулы продукта запутаны, и надеется, что квантовая когерентность может сохраняться и в неультрахолодных средах.

«Мы считаем, что результат является общим и не обязательно ограничивается низкими температурами и может произойти в более теплых и влажных условиях», — сказал Ни. «Это означает, что существует механизм химических реакций, о котором мы раньше не знали».

Первый соавтор и аспирант Линбанг Чжу рассматривает эксперимент как возможность расширить представление людей о химических реакциях в целом.

«Мы исследуем явления, которые, возможно, происходят в природе», — сказал Чжу. «Мы можем попытаться расширить нашу концепцию на другие химические реакции. Хотя электронная структура KRb может быть другой, идею вмешательства в реакции можно распространить и на другие химические системы».

Больше информации:
Йи-Сян Лю и др., Квантовая интерференция в реакциях атомного обмена, Наука (2024). DOI: 10.1126/science.adl6570. www.science.org/doi/10.1126/science.adl6570

Предоставлено Гарвардским университетом

Цитирование: Ученые демонстрируют сохранение квантовой когерентности в химической реакции с участием ультрахолодных молекул (2024 г., 16 мая), получено 17 мая 2024 г. с https://phys.org/news/2024-05-scientists-survival-quantum-coherence-chemical. HTML

Этот документ защищен авторским правом. За исключением любых добросовестных сделок в целях частного изучения или исследования, никакая часть не может быть воспроизведена без письменного разрешения. Содержимое предоставлено исключительно в информационных целях.

Поделиться в соцсетях