In den letzten Jahren haben Physiker versucht, die Kontrolle chemischer Reaktionen im quantenentarteten Bereich zu erreichen, bei dem die De-Broglie-Wellenlänge der Teilchen mit dem Abstand zwischen ihnen vergleichbar wird. Theoretische Vorhersagen deuten darauf hin, dass Vielteilchenreaktionen zwischen bosonischen Reaktanten in diesem Regime durch Quantenkohärenz und Bose-Verstärkung gekennzeichnet sein werden, doch war dies experimentell nur schwer zu validieren.
Forscher der University of Chicago machten sich kürzlich daran, diese schwer fassbaren chemischen Vielteilchenreaktionen im quantenentarteten Bereich zu beobachten. Ihr Artikel, veröffentlicht in Naturphysikpräsentiert die Beobachtung kohärenter, kollektiver Reaktionen zwischen Bose-kondensierten Atomen und Molekülen.
„Die Quantenkontrolle molekularer Reaktionen ist ein sich schnell entwickelndes Forschungsgebiet in der Atom- und Molekularphysik“, sagte Cheng Chin, einer der Forscher, die die Studie durchgeführt haben, gegenüber Phys.org.
„Die Menschen stellen sich Anwendungen kalter Moleküle in der Präzisionsmesstechnik, der Quanteninformation und der Quantenkontrolle chemischer Reaktionen vor. Unter allen Zielen ist die Quantensuperchemie ein wichtiges wissenschaftliches Ziel. Vor über 20 Jahren sagten Forscher voraus, dass chemische Reaktionen dadurch kollektiv verbessert werden können.“ Quantenmechanik, wenn Reaktanten und Produkte in einem einzigen Quantenzustand hergestellt werden.
Die Verstärkung chemischer Reaktionen durch quantenmechanische Prozesse ist schon seit Längerem ein lang angestrebtes Forschungsziel. Diese beschleunigten chemischen Reaktionen, die als „Superreaktionen“ bezeichnet werden, ähneln stark der Supraleitung oder der Funktionsweise von Lasern, allerdings mit Molekülen anstelle von Elektronen bzw. Photonen.
Das Hauptziel der jüngsten Arbeit von Chin und seinen Kollegen bestand darin, Vielteilchen-Superreaktionen in einem quantenentarteten Gas zu beobachten. Zur Durchführung ihrer Experimente verwendeten sie speziell das von Bose kondensierte Cäsiumatom, ein stark elektropositives und alkalisches Element, das häufig zur Entwicklung von Atomuhren und Quantentechnologien verwendet wurde.
„Cäsiumatome sind bei niedrigen Temperaturen chemisch reaktiv und können mit hoher Effizienz in ein molekulares Bose-Kondensat umgewandelt werden“, erklärte Chin. „Wir haben die Dynamik der Molekülbildung im Atomkondensat überwacht und makroskopische Quantenkohärenz zwischen den Atomen und Molekülen beobachtet.“
Die Experimente des Teams brachten eine Reihe interessanter Beobachtungen. Sie fanden heraus, dass superchemische Reaktionen in den kondensierten Cäsiumatomen zunächst durch die schnelle Bildung von Molekülen gekennzeichnet waren. Während sie sich dem Gleichgewicht näherten, oszillierten diese Moleküle mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten. Proben mit einer höheren Atomdichte schienen schneller zu oszillieren, was auf eine bosonische Verstärkung der Reaktionen hindeutet.
„Unsere Arbeit zeigt neue Leitprinzipien für chemische Reaktionen im quantenentarteten Bereich auf“, sagte Chin. „Insbesondere zeigen wir, dass alle Atome und Moleküle kollektiv als Ganzes reagieren können. Solche Vielteilchenreaktionen versprechen Kontrollen, um die Chemie ohne Dissipation voranzutreiben und umzukehren und den Reaktionsweg in die gewünschten Produkte zu lenken.“
Die jüngste Arbeit von Chin und seinen Kollegen trägt zum gegenwärtigen Verständnis quantenchemischer Vielteilchenreaktionen bei und skizziert einen praktikablen Weg zur Kontrolle dieser Reaktionen bei Quantenentartung. In ihrer Arbeit stellen die Forscher ein Quantenfeldmodell vor, das die Schlüsseldynamik dieser Reaktionen gut erfasst und somit zukünftige Experimente in diesem Forschungsbereich leiten könnte.
„Wir planen nun, neue grundlegende Gesetze zu identifizieren, die chemische Reaktionen im Quanten-Vielteilchenregime steuern“, fügte Chin hinzu. „Zum Beispiel werden die kondensierten Moleküle durch eine einzige Wellenfunktion beschrieben, und die Phase der Wellenfunktion kann der Schlüssel zur Steuerung der Richtung der chemischen Reaktion sein. Darüber hinaus werden wir Vielteilcheneffekte bei komplexeren Reaktionen untersuchen.“ , mehratomige Moleküle.“
Mehr Informationen:
Zhendong Zhang et al, Chemische Vielteilchenreaktionen in einem quantenentarteten Gas, Naturphysik (2023). DOI: 10.1038/s41567-023-02139-8.
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