“量子超化学”的巨大飞跃

2023-08-16 12:46来源:大智报

美国研究人员观察到一种被称为“量子超化学”的现象,在这种现象中,超冷原子以比平时更快的速度进行化学反应。这种效应早在20多年前就被理论上预测到了,但这是第一次看到这种现象。

芝加哥大学的物理学家陈成说,超化学——众多原子集体活动——被证明难以观察的主要原因之一是需要将实验冷却到接近绝对零度。

他说,目前我们必须把温度控制在10华氏度左右。“但我们的理解是,如果我们有更多的粒子,那么这个条件就可以放松。”

Chin和他的同事们将铯原子气体过冷,直到它们结合形成玻色-爱因斯坦凝聚态(BEC),在这种状态下,原子集体表现得好像它们只有一个量子态。然后,研究人员对BEC施加磁场,以刺激铯原子结合形成铯分子的化学反应。

在经典化学中,气体中的铯原子会弹跳,直到两个原子相互碰撞,然后它们有可能形成一个分子式为Cs2的铯分子。在最大规模的气体中,所有这些反应都会在一段时间内发生,根据原子的浓度,一些原子碰撞并形成分子的时间较早,一些原子碰撞并形成分子的时间较晚。

但在最新的实验中,BEC中过冷的铯原子一次形成了铯分子,比在经典条件下发生反应的速度要快得多例如,在一个有几千个原子的实验中,反应速率的增加是3到5个数量级,Chin说。研究表明,BEC中的原子越多,反应发生得越快。

他在接受芝加哥大学网站采访时表示:“你不再将化学反应视为独立粒子之间的碰撞,而是将其视为一个集体过程。”所有这些都是作为一个整体共同做出反应。

Zhendong Zhang (left) and Cheng Chin in the laboratory

芝加哥大学研究人员张振东(左)和陈成在实验室里

这种现象与另一种观测到的bec效应相反,在这种状态下,“费米子”原子之间的化学反应被抑制了“费米子”原子的组成粒子总数总是奇数,而铯和其他“玻色子”原子的粒子总数是偶数,苏塞克斯大学的物理学家Peter kr 格尔解释说,他没有参与这项研究。他说:“在这里,有了玻色子,热力学得到了加强。”“从基本的角度来看,这真的很有趣——这是一种新的现象。”

麻省理工学院的物理学家沃尔夫冈·凯特勒(Wolfgang Ketterle)也没有参与这个项目,他指出,这可能不是第一次观察到量子超化学,他引用了2000年的一篇论文,该论文报告了量子超化学的证据

“但这篇新论文是不同的,远远超出了以前的研究,”凯特勒补充道,他因在bec方面的开创性工作而获得了2001年诺贝尔物理学奖。

芝加哥大学研究小组的另一个观察结果是,单个铯原子可以被“启动”,因此产生的铯分子都具有相同的分子状态,具有特定的物理和化学性质。Chin说他的团队在这方面还有更多的工作要做——但是在经典化学中,这种分子状态是随机的,而在量子超化学中,它们似乎可以被选择。

“这就是我对这项工作感到兴奋的原因,”Chin说。“我们不仅可以看到更快的反应,而且(产物)形成了一种特定的分子状态。他补充说,未来的研究将集中在这些分子状态上,并将物质的范围扩大到更复杂的分子。

虽然量子超化学可能有一天会在量子计算等领域得到应用,但Chin指出,此类实验的设置过于复杂,无法实际应用。他说,目前这还处于基础研究阶段。

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