Науковці вперше в історії спостерігали давно перебачувану «квантову суперхімію».

Новий тип хімії, що відбувається при дуже низьких температурах на дуже малих частинках, уможливлює швидкі та точні реакції.

Дослідники вперше спостерігали "квантову суперхімію" в лабораторії. Давно теоретично описана, але ніколи раніше не бачена квантова суперхімія – це явище, при якому атоми або молекули в одному квантовому стані хімічно реагують швидше, ніж атоми або молекули, що перебувають у різних квантових станах. Квантовий стан є набором характеристик квантової частинки, таких як спін (момент імпульсу) або енергетичний рівень.

Щоби спостерігати цю нову надзаряджену хімію, дослідникам довелося змусити перейти в однаковий квантовий стан не лише атоми, а й цілі молекули. Однак коли вони це зробили, то побачили, що хімічні реакції відбуваються колективно, а не індивідуально. І що більше атомів було задіяно, себто що більшою була щільність атомів, то швидше проходили хімічні реакції.

"Те, що ми побачили, відповідає теоретичним прогнозам, – сказав у своїй заяві Ченг Чін, професор фізики Чиказького університету, який очолював дослідження. – Це було науковою метою протягом двадцяти років, тому зараз дуже захоплива ера".

Команда повідомила про свої результати 24 липня в журналі Nature Physics. Вони спостерігали квантову суперхімію в атомах цезію, які об'єднувалися в пари, формуючи молекули. Спочатку дослідники охолодили газ цезію майже до абсолютного нуля – точки, в якій припиняється будь-який рух. У цьому охолодженому стані легше забезпечити перехід усіх атомів цезію в однаковий квантовий стан. Потім вони змінили навколишнє магнітне поле, аби запустити хімічний зв'язок між атомами.

Ці атоми, утворюючи двоатомні молекули цезію, реагували між собою швидше, ніж коли дослідники проводили експеримент у звичайному не переохолодженому газі. Утворені молекули також перебували в одному квантовому стані, принаймні протягом кількох мілісекунд, після чого атоми і молекули починають розпадатися, переставши коливатися разом.

"За допомогою цього методу можна скеровувати молекули в ідентичний стан", – каже Чін.

Дослідники виявили, що хоча кінцевим результатом реакції була двоатомна молекула, насправді в ній брали участь три атоми, і зайвий атом взаємодіяв з двома зв'язуючими атомами таким чином, що полегшував реакцію.

Це явище може бути корисним для застосування у квантовій хімії та квантових обчисленнях, оскільки молекули в одному квантовому стані мають спільні фізичні та хімічні властивості. Такі експерименти є частиною галузі хімії наднизьких температур, що має на меті отримати неймовірно ретельний контроль над хімічними реакціями, використовуючи переваги квантових взаємодій, які відбуваються в цих холодних станах. Надхолодні частинки можуть бути використані як кубіти, або квантові біти, які несуть інформацію, – наприклад, у квантових обчисленнях.

У цьому дослідженні використовувалися лише прості молекули, тому наступною ціллю буде спроба створити квантову суперхімію зі складнішими молекулами, сказав Чін.

"Важливим напрямком досліджень цієї наукової спільноти є те, як далеко ми зможемо поглибити наше розуміння і наші знання про квантову інженерію стосовно щораз складніших молекул", – сказав він.