7 آگوست 2023 – توسط لوئیز لرنر، دانشگاه شیکاگو-اعتبار: جان زیچ
تیمی از دانشگاه شیکاگو اولین شواهدی را برای “ابر شیمی کوانتومی” اعلام کرده اند – پدیده ای که در آن ذرات در همان حالت کوانتومی تحت واکنش های شتاب دهنده جمعی قرار می گیرند. این اثر پیش‌بینی شده بود، اما هرگز در آزمایشگاه مشاهده نشد.
این یافته ها که در 24 ژوئیه در Nature Physics منتشر شد، دری را به سوی میدان جدیدی باز می کند. دانشمندان به شدت به واکنش‌های شیمیایی «کوانتومی تقویت‌شده» که می‌توانند در شیمی کوانتومی، محاسبات کوانتومی و سایر فناوری‌ها و همچنین در درک بهتر قوانین جهان کاربرد داشته باشند، علاقه‌مند هستند.
چنگ چین، استاد فیزیک و عضو مؤسسه جیمز فرانک و موسسه انریکو فرمی، که آزمایشگاه آنها این تحقیق را انجام داده است، گفت: «آنچه دیدیم با پیش‌بینی‌های نظری مطابقت داشت. این یک هدف علمی برای 20 سال بوده است، بنابراین دوران بسیار هیجان انگیزی است.
آزمایشگاه چین متخصص در کار با ذرات نگهداری شده در دمای بسیار بسیار پایین است. نزدیک به صفر مطلق، ذرات می توانند به هم متصل شوند تا همه آنها در یک حالت کوانتومی قرار گیرند – جایی که می توانند توانایی ها و رفتارهای غیرعادی را نشان دهند.
این نظریه وجود داشت که گروهی از اتم‌ها و مولکول‌ها در حالت کوانتومی یکسان در طی واکنش‌های شیمیایی رفتار متفاوتی از خود نشان می‌دادند، اما مشکل در سازماندهی آزمایش به این معنی بود که هرگز مشاهده نشده است.
گروه Chin در انتقال اتم‌ها به حالت‌های کوانتومی با تجربه هستند، اما مولکول‌ها بزرگ‌تر و بسیار پیچیده‌تر از اتم‌ها هستند، بنابراین گروه مجبور شد تکنیک‌های جدیدی را برای درگیری با آنها ابداع کند.
در آزمایش‌ها، دانشمندان اتم‌های سزیم را خنک کردند و آنها را به همان حالت کوانتومی وادار کردند. در مرحله بعد، آنها به واکنش اتم ها برای تشکیل مولکول ها نگاه کردند.
در شیمی معمولی، اتم‌های منفرد با هم برخورد می‌کنند، و احتمال تشکیل یک مولکول برای هر برخورد وجود دارد. با این حال، مکانیک کوانتومی پیش‌بینی می‌کند که اتم‌ها در حالت کوانتومی به‌جای آن اعمالی را به صورت جمعی انجام می‌دهند.
چین توضیح داد: “شما دیگر یک واکنش شیمیایی را به عنوان برخورد بین ذرات مستقل در نظر نمی گیرید، بلکه به عنوان یک فرآیند جمعی نگاه می کنید.” “همه آنها در مجموع با هم واکنش نشان می دهند.”
یک پیامد این است که واکنش سریعتر از آن در شرایط عادی اتفاق می افتد. در واقع، هر چه تعداد اتم های سیستم بیشتر باشد، واکنش سریعتر اتفاق می افتد.
پیامد دیگر این است که مولکول های نهایی حالت مولکولی یکسانی دارند. چین توضیح داد که مولکول‌های یکسان در حالت‌های مختلف می‌توانند خواص فیزیکی و شیمیایی متفاوتی داشته باشند، اما مواقعی وجود دارد که می‌خواهید دسته‌ای از مولکول‌ها را در یک حالت خاص ایجاد کنید. در شیمی سنتی، شما تاس می‌اندازید. او گفت: «اما با این تکنیک، می‌توانید مولکول‌ها را به حالت یکسان هدایت کنید.
شو ناگاتا، دانشجوی فارغ التحصیل و یکی از نویسندگان مقاله، افزود که آنها شواهدی را دیدند که نشان می‌داد این واکنش بیشتر به صورت یک برهمکنش سه بدنی رخ می‌دهد تا تعامل دو بدن. یعنی سه اتم با هم برخورد می کنند. دو تا یک مولکول تشکیل می دهند و سومی مجرد باقی می ماند. اما سومی نقشی در واکنش داشت.
دانشمندان امیدوارند این پیشرفت، آغاز عصر جدیدی باشد. اگرچه این آزمایش با مولکول‌های ساده و دو اتمی انجام شد، اما آنها قصد دارند راه خود را برای مدیریت مولکول‌های بزرگ‌تر و پیچیده‌تر ادامه دهند.
چین می‌گوید: «تا چه اندازه می‌توانیم درک و دانش خود از مهندسی کوانتوم را به سمت مولکول‌های پیچیده‌تر سوق دهیم، یک جهت تحقیقاتی بزرگ در این جامعه علمی است.
برخی در این زمینه استفاده از مولکول ها را به عنوان کیوبیت در رایانه های کوانتومی یا برای مثال در پردازش اطلاعات کوانتومی تصور کرده اند. دانشمندان دیگر آنها را به‌عنوان دروازه‌هایی برای اندازه‌گیری دقیق‌تر قوانین و فعل و انفعالات بنیادی، مانند آزمایش قوانین اساسی جهان مانند نقض تقارن، بررسی می‌کنند.
ژندونگ ژانگ (دکتری در حال حاضر در دانشگاه استنفورد) و کای-ژوان یائو (دکتری اکنون در سیتادل) نیز از نویسندگان مشترک این مقاله بودند.
