מדעני הרווארד מגלים סדר קוונטי בכאוס כימי

חוקרי הרווארד הראו כי קוהרנטיות קוונטית יכולה לשרוד תגובות כימיות בטמפרטורות אולטרה-קרות. באמצעות טכניקות מתקדמות, הם הדגימו זאת עם מולקולות 40K87Rb ביאלקאלי, והציעו יישומים פוטנציאליים במדעי המידע הקוונטי והשלכות רחבות יותר להבנת תגובות כימיות.

התקרב לתגובה כימית לרמה הקוונטית ותבחין שחלקיקים מתנהגים כמו גלים שיכולים להתפזר ולהתנגש. מדענים ביקשו מזה זמן רב להבין קוהרנטיות קוונטית, יכולתם של חלקיקים לשמור על יחסי פאזה ולהתקיים במספר מצבים בו-זמנית; זה דומה לכל חלקי הגל המסונכרנים. זו הייתה שאלה פתוחה האם קוהרנטיות קוונטית יכולה להימשך באמצעות תגובה כימית שבה קשרים נשברים באופן דינמי ונוצרים.

כעת, לראשונה, צוות של מדענים של הרווארד הוכיח את הישרדותה של קוהרנטיות קוונטית בתגובה כימית המערבת מולקולות אולטרה-קרות. ממצאים אלה מדגישים את הפוטנציאל של רתימת תגובות כימיות ליישומים עתידיים במדעי המידע הקוונטי.

פריצת דרך ניסויית

"אני גאה מאוד בעבודתנו בחקירת תכונה בסיסית מאוד של תגובה כימית שבה באמת לא ידענו מה תהיה התוצאה", אמר מחבר שותף בכיר קאנג-קואן ני, תאודור וויליאם ריצ'רדס פרופסור לכימיה ופרופסור לכימיה. פיזיקה. "זה היה ממש משמח לעשות ניסוי כדי לגלות מה אמא ​​טבע אומרת לנו."

במאמר, שפורסם ב-Science, פירטו החוקרים כיצד הם חקרו פרט מסוים אָטוֹם-החלפת תגובה כימית בסביבה קרה במיוחד הכוללת מולקולות ביאלקאלי של 40K87Rb, שבהן שתי מולקולות אשלגן-רובידיום (KRb) מגיבות ליצירת תוצרי אשלגן (K2) ורובידיום (Rb2). הצוות הכין את הספינים הגרעיניים הראשוניים במולקולות KRb במצב סבוך על ידי מניפולציה של שדות מגנטיים ולאחר מכן בחן את התוצאה עם כלים מיוחדים. בסביבה הקרה במיוחד, מעבדת Ni הצליחה לעקוב אחר דרגות הספין הגרעיני של חופש ולבחון את הדינמיקה הקוונטית הסבוכה העומדת בבסיס תהליך התגובה והתוצאה.

צוות מחקר וטכניקות

העבודה נעשתה על ידי מספר חברים במעבדה של Ni, כולל Yi-Xiang Liu, Lingbang Zhu, Jeshurun ​​Luke, JJ Arfor Houwman, Mark C. Babin, ו-Ming-Guang Hu.

בעזרת קירור לייזר ולכידה מגנטית, הצוות הצליח לקרר את המולקולות שלהם רק לשבריר ממעלה מעל האפס המוחלט. בסביבה הקרה האולטרה-קרה הזו, של 500 ננו-קלווין בלבד, מולקולות מאטות את הקצב, מה שמאפשר למדענים לבודד, לתמרן ולזהות מצבים קוונטיים בודדים בדיוק מדהים. בקרה זו מקלה על התבוננות בהשפעות קוונטיות כגון סופרפוזיציה, הסתבכות וקהרנטיות, הממלאות תפקידים בסיסיים בהתנהגות של מולקולות ותגובות כימיות.

ממצאים והשלכות

על ידי שימוש בטכניקות מתוחכמות, כולל זיהוי צירוף מקרים שבו החוקרים יכולים לבחור את הזוגות המדויקים של תוצרי תגובה מאירועי תגובה בודדים, החוקרים הצליחו למפות ולתאר את תוצרי התגובה בדיוק. בעבר, הם הבחינו בחלוקת האנרגיה בין התנועה הסיבובית והטרנסלציונית של מולקולות המוצר כאוטית (Nature 593, 379-384 (2021)). לכן, מפתיע למצוא סדר קוונטי בצורה של קוהרנטיות באותה דינמיקת תגובה בסיסית, הפעם בדרגת החופש של ספין גרעיני.

התוצאות גילו שהקוהרנטיות הקוונטית נשמרה בדרגת החופש של ספין גרעיני לאורך כל התגובה. הישרדות הקוהרנטיות רמזה שמולקולות התוצר, K2 ו-Rb2, היו במצב סבוך, ויורשו את ההסתבכות מהמגיבים. יתר על כן, על ידי גרימת דה-קוהרנטיות במגיבים, החוקרים הוכיחו שליטה על התפלגות תוצרי התגובה.

סיכויי עתיד

בהמשך, Ni מקווה להוכיח בקפדנות שמולקולות המוצר הסתבכו, והיא אופטימית שהקוהרנטיות הקוונטית יכולה להימשך בסביבות שאינן אולטרה-קרות.

"אנו מאמינים שהתוצאה היא כללית ולא בהכרח מוגבלת לטמפרטורות נמוכות ויכולה לקרות בתנאים חמים ורטובים יותר", אמר Ni. "זה אומר שיש מנגנון לתגובות כימיות שפשוט לא ידענו עליו קודם לכן."

מחבר ראשון וסטודנט לתואר שני, לינגבאנג ג'ו, רואה בניסוי הזדמנות להרחיב את ההבנה של אנשים לגבי תגובות כימיות באופן כללי.

"אנחנו בודקים תופעות שאולי מתרחשות בטבע", אמר ג'ו. "אנחנו יכולים לנסות להרחיב את הרעיון שלנו לתגובות כימיות אחרות. למרות שהמבנה האלקטרוני של KRb עשוי להיות שונה, ניתן להכליל את הרעיון של הפרעה בתגובות גם למערכות כימיות אחרות."