科學實驗首次尋找到”量子超化學”現象存在的直接證據
芝加哥大學的科學家們首次發現了”量子超化學”現象存在的證據。這種現象早已被預言,但從未被證實,它可以加快化學反應的速度,讓科學家對化學反應有更強的控制能力,並為量子計算提供依據。
在量子尺度上會出現各種詭異的行為。原子可以同時以多種狀態存在,糾纏在一起,以至於它們可以在任何距離上瞬間共享信息,或者穿越它們本不應該穿越的障礙。科學家們正試圖利用這些現象來實現更強大的計算、通信系統和其他技術。
現在,一個研究小組首次發現了先前預測的量子效應的直接證據,這種效應被稱為超化學效應。它始於一種被稱為玻色-愛因斯坦凝聚態的奇異物質狀態,在這種狀態下,一團原子被冷卻到幾乎絕對零度,使它們進入相同的量子態,並開始表現得像一個大原子。有人提出,哄騙處於這種狀態的原子進行化學反應,會產生與通常不同的結果。
在經典化學中,混合物中的原子會發生隨機碰撞,每次碰撞都有可能使它們連接起來形成分子。但如果原子都處於相同的量子態,它們現在反而會一起行動。
這項研究的首席研究員程欽說:”不能再把化學反應看作是獨立粒子之間的碰撞,這是一個集體過程。所有的粒子都在一起,作為一個整體進行反應”。
共同通訊作者張振東(左)和程欽教授與幫助他們首次觀察量子超化學的實驗室設備
在實驗中,研究人員將銫原子冷卻到所需的極端溫度,然後將它們哄騙到相同的量子態。果然,這些原子似乎正在以一種類似超化學的方式形成分子。
這一過程有一些不同於普通化學的結果。首先,由於原子是一起作用的,反應發生得更快–系統中的原子越多,反應速度就越快。研究小組說,最終生成的分子都具有相同的狀態,這有助於比傳統化學更可靠地生成大批量相同的分子。
在這一過程中,研究小組還發現了一個奇怪現象的證據–三體相互作用比二體相互作用發生得更頻繁。從本質上講,三個原子會發生碰撞,其中兩個原子連接起來形成分子,而第三個原子則以某種方式幫助這一過程。
這一突破有助於為量子化學、量子計算和幫助科學家研究物理定律等新技術鋪平道路。到目前為止,這項超級化學研究只在雙原子分子中進行,但研究小組計劃將這項工作擴展到更複雜的分子中。
“我們所看到的與理論預測一致,”Chin 說。”這是20年來的科學目標,所以這是一個非常激動人心的時代。”
這項研究發表在《自然-物理》雜誌上。