Penemuan inovatif oleh para ilmuwan University of Chicago

Terobosan dapat menunjukkan jalan menuju wawasan mendasar dan teknologi baru.

tim dari Universitas Chicago Dia mengungkap bukti pertama “superkimia kuantum” – sebuah fenomena di mana partikel-partikel dalam keadaan kuantum yang sama bersama-sama menjalani interaksi yang dipercepat. Meskipun diperkirakan sebelumnya, efek ini belum pernah diamati secara in vitro sebelumnya.

Hasil dipublikasikan di fisika alam Pada 24 Juli, buka pintu ke lapangan baru. Para ilmuwan sangat tertarik dengan apa yang dikenal sebagai reaksi kimia “peningkatan kuantum”, yang dapat diterapkan dalam kimia kuantum, Statistik kuantitatifdan teknologi lainnya, serta pemahaman yang lebih baik tentang hukum alam semesta.

“Apa yang kami lihat sejalan dengan harapan teoretis,” kata Cheng Chen, seorang profesor fisika dan anggota Institut James Franck dan Institut Enrico Fermi, yang laboratoriumnya melakukan penelitian. “Ini telah menjadi tujuan sains selama 20 tahun, jadi ini adalah era yang sangat menarik.”

Para ilmuwan mengumumkan bukti pertama “superkimia kuantum” – sebuah fenomena di mana partikel dalam keadaan kuantum yang sama mengalami interaksi kelompok yang dipercepat. Di atas, rekan penulis studi Zhendong Zhang (kiri) dan Profesor Cheng Chin di lab. Kredit: John Zech

Peningkatan pose: proses

Laboratorium Chen berspesialisasi dalam bekerja dengan molekul yang ada pada suhu yang sangat rendah. menutup nol mutlakPartikel dapat berkorelasi sehingga semuanya berada dalam keadaan kuantum yang sama – di mana mereka dapat menunjukkan kemampuan dan perilaku yang tidak biasa.

Dihipotesiskan bahwa sekelompok atom dan molekul dalam keadaan kuantum yang sama akan berperilaku berbeda selama reaksi kimia, tetapi kesulitan dalam mengatur percobaan berarti bahwa percobaan itu tidak pernah diamati.

Kelompok Chen berpengalaman dalam menggiring atom ke keadaan kuantum, tetapi partikel lebih besar dan lebih kompleks daripada atom, sehingga kelompok tersebut harus merancang teknologi baru untuk melawannya.

“Seberapa jauh kita dapat mendorong pemahaman dan pengetahuan kita tentang geometri kuantum, menjadi partikel yang lebih kompleks, merupakan arah penelitian utama dalam komunitas ilmiah ini.”

– Cheng Chen, Profesor Fisika

Dalam percobaan, para ilmuwan mendinginkan atom cesium dan membujuknya ke keadaan kuantum yang sama. Selanjutnya, mereka mengamati atom-atom berinteraksi membentuk molekul.

Dalam kimia biasa, atom individu bertabrakan, dan untuk setiap tumbukan ada potensi untuk membentuk molekul. Namun, mekanika kuantum memprediksi bahwa atom dalam keadaan kuantum malah melakukan tindakan kolektif.

Implikasi dan hasil

“Anda tidak lagi menganggap reaksi kimia sebagai tumbukan partikel independen, tetapi sebagai proses kolektif,” jelas Chen. “Mereka semua berinteraksi bersama, secara keseluruhan.”

Salah satu konsekuensinya adalah reaksi terjadi lebih cepat daripada dalam keadaan normal. Faktanya, semakin banyak atom dalam suatu sistem, semakin cepat reaksinya.

Konsekuensi lain adalah bahwa molekul akhir berbagi keadaan molekul yang sama. Chen menjelaskan bahwa molekul yang sama dalam keadaan yang berbeda dapat memiliki sifat fisik dan kimia yang berbeda — tetapi ada kalanya Anda ingin membuat sekelompok molekul dalam keadaan tertentu. Dalam alkimia tradisional, Anda melempar dadu. “Tapi dengan teknik ini, Anda bisa mengarahkan molekul ke keadaan yang identik,” katanya.

Shu Nagata, seorang mahasiswa pascasarjana dan salah satu penulis makalah, menambahkan bahwa mereka melihat bukti bahwa reaksi lebih sering terjadi sebagai interaksi tiga tubuh daripada interaksi dua tubuh. Artinya, tiga atom akan bertabrakan. Dua akan membentuk satu molekul, dan yang ketiga akan tetap tunggal. Tetapi yang ketiga memainkan peran tertentu dalam reaksi tersebut.

kemampuan teknologi

Terobosan ini menandai dimulainya era baru. Meskipun percobaan menggunakan duaJagung Molekul, ada rencana untuk bekerja dengan molekul yang lebih besar dan kompleks.

“Seberapa jauh kita dapat mendorong pemahaman dan pengetahuan kita tentang geometri kuantum, menjadi partikel yang lebih kompleks, merupakan arah penelitian utama dalam komunitas ilmiah ini,” kata Chen.

Beberapa di lapangan telah membayangkan menggunakan partikel sebagai qubit di komputer kuantum, atau dalam pemrosesan informasi kuantum, misalnya. Ilmuwan lain sedang mengeksplorasi mereka sebagai pintu gerbang ke pengukuran hukum dan interaksi dasar yang lebih tepat, seperti menguji hukum dasar alam semesta seperti pelanggaran simetri.

Referensi: “Reaksi Kimia Multibody dalam Gas Peluruhan Kuantitatif” Oleh Zhendong Zhang, Shu Nagata, Kai-Xuan Yao, dan Cheng Chin, 24 Juli 2023, Tersedia di sini. fisika alam.
DOI: 10.1038/s41567-023-02139-8

Zhendong Zhang (PhD 22, sekarang di Stanford University) dan Kai-Xuan Yao (PhD 22, sekarang di Citadel) adalah rekan penulis makalah tersebut.

Pendanaan: National Science Foundation, Kantor Penelitian Ilmiah Angkatan Udara, Grainger Graduate Fellowship, Beasiswa Takenaka Foundation.