Ces dernières années, les physiciens ont essayé d’atteindre le contrôle des réactions chimiques dans le régime quantique dégénéré, où la longueur d’onde de Broglie des particules devient comparable à l’espacement entre elles. Les prédictions théoriques suggèrent que les réactions à plusieurs corps entre les réactifs bosoniques dans ce régime seront marquées par la cohérence quantique et l’amélioration de Bose, mais cela a été difficile à valider expérimentalement.
Des chercheurs de l’Université de Chicago ont récemment entrepris d’observer ces réactions chimiques à plusieurs corps insaisissables dans le régime quantique dégénéré. Leur article, publié dans Physique naturelleprésente l’observation de réactions cohérentes et collectives entre des atomes et des molécules condensés de Bose.
« Le contrôle quantique des réactions moléculaires est un domaine de recherche qui progresse rapidement en physique atomique et moléculaire », a déclaré Cheng Chin, l’un des chercheurs qui a mené l’étude, à Phys.org.
« Les gens envisagent des applications des molécules froides dans la métrologie de précision, l’information quantique et le contrôle quantique des réactions chimiques. Parmi tous les objectifs, la superchimie quantique est un objectif scientifique majeur. Il y a plus de 20 ans, les chercheurs ont prédit que les réactions chimiques pouvaient être améliorées collectivement par mécanique quantique lorsque les réactifs et les produits sont préparés dans un seul état quantique. »
L’amélioration des réactions chimiques via des processus de mécanique quantique est un objectif de recherche recherché depuis longtemps. Ces réactions chimiques amplifiées, appelées «super réactions», ressemblent étroitement à la supraconductivité ou au fonctionnement des lasers, mais avec des molécules au lieu d’électrons ou de photons, respectivement.
L’objectif principal des travaux récents de Chin et de ses collègues était d’observer des super réactions à plusieurs corps dans un gaz quantique dégénéré. Pour mener leurs expériences, ils ont spécifiquement utilisé l’atome de césium condensé de Bose, un élément fortement électropositif et alcalin qui a fréquemment été utilisé pour développer des horloges atomiques et des technologies quantiques.
« Les atomes de césium sont chimiquement réactifs à basse température et peuvent être convertis en un condensat moléculaire de Bose avec des rendements élevés », a expliqué Chin. « Nous avons surveillé la dynamique de la formation moléculaire dans le condensat atomique et observé la cohérence quantique macroscopique entre les atomes et les molécules. »
Les expériences de l’équipe ont donné lieu à une série d’observations intéressantes. Ils ont découvert que les super réactions chimiques dans les atomes de césium condensés étaient initialement marquées par la formation rapide de molécules. Alors qu’elles se dirigeaient vers l’équilibre, ces molécules oscillaient à des vitesses différentes. Les échantillons avec une densité d’atomes plus élevée semblaient osciller plus rapidement, suggérant une amélioration bosonique des réactions.
« Notre travail démontre de nouveaux principes directeurs pour les réactions chimiques dans le régime quantique dégénéré », a déclaré Chin. « En particulier, nous montrons que tous les atomes et molécules peuvent réagir collectivement dans leur ensemble. De telles réactions à plusieurs corps promettent des contrôles pour faire avancer et inverser la chimie sans dissipation, et pour orienter la voie de réaction vers les produits souhaités. »
Les travaux récents de Chin et de ses collègues contribuent à la compréhension actuelle des réactions chimiques quantiques à plusieurs corps, décrivant une voie viable pour contrôler ces réactions lors de la dégénérescence quantique. Dans leur article, les chercheurs présentent un modèle de champ quantique qui capture bien la dynamique clé de ces réactions et pourrait ainsi guider les futures expériences dans ce domaine d’étude.
« Nous prévoyons maintenant d’identifier de nouvelles lois fondamentales qui régissent les réactions chimiques dans le régime quantique à plusieurs corps », a ajouté Chin. « Par exemple, les molécules condensées sont décrites par une seule fonction d’onde et la phase de la fonction d’onde peut détenir la clé pour contrôler la direction de la réaction chimique. De plus, nous examinerons les effets à plusieurs corps dans les réactions de réactions plus complexes. , molécules poly-atomiques. »
Plus d’information:
Zhendong Zhang et al, Réactions chimiques à plusieurs corps dans un gaz dégénéré quantique, Physique naturelle (2023). DOI : 10.1038/s41567-023-02139-8.
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