Ученые наблюдали "квантовую суперхимию" впервые в истории

Ученые впервые наблюдали новый тип химии в лаборатории, говорится в исследовании, опубликованном в Nature Physics. Квантовая суперхимия, выполняемая при очень низких температурах на очень малых частицах, обеспечивает быстрые и точные реакции.

Давно теоретизированное, но никогда ранее не виденное явление – квантовая суперхимия – это явление, в котором атомы или молекулы в одном квантовом состоянии химически реагируют быстрее, чем атомы или молекулы, находящиеся в разных квантовых состояниях. Квантовое состояние – это набор характеристик квантовой частицы, например, спин (момент импульса) или уровень энергии.

Чтобы наблюдать этот новый вид химии, ученым пришлось перевести не только атомы, а целые молекулы в то же квантовое состояние. Однако когда они это сделали, то увидели, что химические реакции происходят коллективно, а не отдельно. И чем больше атомов было задействовано, то есть чем больше плотность атомов, тем быстрее проходили химические реакции.

"То, что мы увидели, совпадало с теоретическими прогнозами, — сказал в заявлении Ченг Чин, профессор физики Чикагского университета, руководивший исследованиями. По его словам, это было научной целью в течение 20 лет.

Ученые наблюдали квантовую суперхимию в атомах цезия, объединявшихся в молекулы. Они охладили цезий почти до абсолютного нуля, точки, в которой прекращается любое движение. В таком охлажденном состоянии ученые смогли легко перевести каждый атом цезия в то же квантовое состояние. Затем они сменили окружающее магнитное поле, чтобы стартовала химическую связь атомов.

Эти атомы реагировали вместе быстрее, образуя двухатомные молекулы цезия, чем когда исследователи проводили эксперимент в обычном, не переохлажденном газе. Полученные молекулы также имели одинаковое квантовое состояние, по крайней мере, в течение нескольких миллисекунд, после чего атомы и молекулы начинали распадаться.

Открытие может быть полезным для применения в квантовой химии и квантовых вычислениях, поскольку молекулы в одном квантовом состоянии обладают общими физическими и химическими свойствами. В исследовании использовались только простые молекулы, поэтому следующей целью является попытка создать квантовую суперхимию с более сложными молекулами, говорит Чин.