În căutarea de 20 de ani de a dezlega tărâmul bizar al „superchimiei cuantice”

Chimia depinde de căldură.

Atomii sau moleculele sară în jur aleatoriu, se ciocnesc și formează alte molecule. La temperaturi mai ridicate, atomii se ciocnesc mai mult și viteza cu care atomii devin molecule crește. Sub o anumită temperatură, reacția nu se va întâmpla deloc.

Dar ceva foarte ciudat se întâmplă la cele mai scăzute temperaturi. În acest frig extrem, în esență nu există energie termică, dar reacțiile chimice au loc mai repede decât la temperaturi ridicate.

Fenomenul se numește superchimie cuantică. Si a fost demonstrat in sfarsit anul trecut, la mai bine de 20 de ani după ce fizicienii au propus-o pentru prima dată.

În acel experiment, fizicianul de la Universitatea din Chicago Cheng Chin iar colegii au convins un grup de atomi de cesiu la doar câțiva nanokelvin în aceeași stare cuantică. În mod uimitor, fiecare atom nu a interacționat separat. În schimb, 100.000 de atomi au reacționat ca unul, aproape instantaneu.

Prima demonstrație a acestui proces ciudat a deschis o fereastră pentru ca oamenii de știință să înțeleagă mai bine cum funcționează reacțiile chimice în tărâmul ciudat al mecanica cuantică, care guvernează comportamentul particulelor subatomice. De asemenea, poate ajuta la simularea fenomenelor cuantice pe care computerele clasice se chinuie să le modeleze cu acuratețe, cum ar fi supraconductivitatea.

Dar ce se va întâmpla după aceea, ca și cu atâtea progrese în cercetare, este greu de prezis. Chin, unul, nu are de gând să nu mai studieze această formă ciudată de chimie.

„Nimeni nu știe cât de departe putem merge”, a spus Chin pentru Live Science. „Ar putea dura încă 20 de ani. Dar nimic nu ne poate opri”.

Un nou tip de chimie

Termenul „superchimie” a fost inventat în 2000 pentru a asemăna fenomenul cu alte efecte ciudate, cum ar fi supraconductivitatea și superfluiditatea, care apar atunci când un număr mare de particule sunt în aceeași stare cuantică.

Spre deosebire de supraconductivitate sau superfluiditatea, totuși, „„superchimia” diferă prin aceea că este încă abia realizată, în timp ce aceste alte fenomene au fost studiate pe larg în experimente.” Daniel Heinzenautorul principal al studiului din 2000 și fizician la Universitatea din Texas din Austin, a declarat Live Science într-un e-mail.

Heinzen și colegul Peter Drummondcare este acum la Universitatea de Tehnologie Swinburne din Australia, studiau o stare specială a materiei cunoscută sub numele de Condens Bose-Einstein (BEC), în care atomii ating cea mai joasă stare de energie și intră în aceeași stare cuantică. În acest regim, grupurile de atomi încep să acționeze mai mult ca un singur atom. La această scară mică, particulele nu pot fi descrise ca fiind într-un anumit loc sau stare. Mai degrabă, au o probabilitate de a se afla în orice loc sau stare dată, care este descrisă de o ecuație matematică cunoscută sub numele de funcție de undă.

Într-un BEC, la fel ca Satyendra Nath Bose și Albert EinsteinPotrivit lucrării lui, funcțiile de undă individuale ale fiecărui atom devin o singură funcție de undă colectivă. Heinzen și Drummond și-au dat seama că un grup de particule cu aceeași funcție de undă este similar cu un laser – un grup de fotoni, sau pachete de lumină, care au aceeași lungime de undă. Spre deosebire de alte surse de lumină, vârfurile și jgheaburile undei unui laser sunt aliniate. Acest lucru permite fotonilor săi să rămână focalizați într-un fascicul strâns pe distanțe lungi sau să fie împărțiți în explozii de la fel de scurte cât milioanemimii de miliardime de secundă.

Legate de: Cum funcționează laserele?

În mod similar, Heinzen, Drummond și colegii lor au arătat matematic că atomii dintr-un BEC ar trebui să se comporte în moduri în care alte grupuri de atomi nu se comportă. Aproape de zero absolut, unde aproape nu există energie termică, superchimia cuantică înseamnă că atomii dintr-un BEC s-ar putea converti, rapid și împreună, în molecule: atomii A s-ar lega rapid pentru a forma molecule de A2 și așa mai departe.

Procesul ar semăna cu o tranziție de fază, spune Chin, cum ar fi atunci când apa lichidă îngheață în gheață. Și, datorită ciudățeniei cuantice a acestor sisteme, cu cât sunt mai mulți atomi condensați în BEC, cu atât reacția are loc mai repede, au prezis calculele lui Heinzen și Drummond.

Căutarea de 20 de ani

Heinzen și grupul său de cercetare au încercat să demonstreze fenomenul prin experimente timp de câțiva ani. Dar nu au găsit niciodată dovezi convingătoare că efectul se produce. „Și apoi am cam scăpat”, a spus Heinzen.

În timp ce Heinzen a abandonat încercarea de a demonstra superchimia cuantică, alții încă căutau modalități de a transforma teoria sălbatică în realitate experimentală. Unul dintre ei a fost Chin, care a început să lucreze la superchimie cuantică aproape imediat.

Chin era un doctorand care studia atomii de cesiu la temperaturi scăzute când a apărut lucrarea de superchimie a lui Heinzen și Drummond. „Cercetarea mea a fost complet deraiată din cauza acestei noi cercetări”, a spus Chin pentru Live Science. El a pornit în ceea ce va deveni o căutare de 20 de ani pentru a realiza superchimie cuantică în laborator.

Nu a fost o cale dreaptă, iar Chin făcea uneori pauze de la munca la superchimie cuantică. Dar nu și-a abandonat niciodată obiectivul.

“Nimeni nu știa dacă acest lucru va funcționa înainte să se întâmple. Dar, de asemenea, nimeni nu a spus că nu se poate întâmpla”, a spus el.

După un deceniu de progres lent, în 2010, Chin și colegii săi și-au dat seama cum să regleze cu precizie câmpurile magnetice pe un BEC pentru a coaxiază atomii de cesiu împreună pentru a forma molecule de Cs2.

„Asta a oferit dovezi despre cum să avansezi”, a spus Chin.

Dar pentru a arăta că se produce o superchimie cuantică, echipa lui încă avea nevoie de modalități mai bune de a răci și de a controla moleculele ultrareci.

Oamenii de știință folosesc de obicei două tehnici pentru a împinge atomii și moleculele la temperaturi ultrareci. În primul rând, laserele răcesc atomii la milioane de kelvin deasupra zero absolut. Atomii din eșantion absorb fotonii de la un laser reglat la o energie foarte specifică, reducând astfel impulsul atomilor și temperatura probei treptat.

În continuare, folosesc răcirea evaporativă. Atomii din aceste experimente sunt prinși de lumina laser sau câmpuri magnetice. Oamenii de știință pot regla capcanele pentru a lăsa cei mai rapidi – și, prin urmare, cei mai fierbinți – atomi să scape. Acest proces răcește și mai mult atomii la miliarde de kelvin, unde este posibilă superchimia cuantică.

A fost cel de-al doilea pas care i-a luat lui Chin și colaboratorilor săi cel mai mult timp să ajungă corect. Ani de zile, el a folosit capcane în formă de bol care împingeau atomii împreună în mijloc, ceea ce ridica temperatura probelor.

În urmă cu șase sau șapte ani, grupul său a început să folosească un dispozitiv digital cu microoglindă pentru a controla mai bine forma capcanei. Rezultatul? Capcane cu fund plat, în formă de vase Petri, unde atomii se puteau răspândi și rămâne ultrareci.

În jurul anului 2020, grupul lui Chin a făcut în sfârșit un BEC al moleculelor de cesiu. Au fost unele dintre cele mai reci molecule făcute vreodată, cu aproximativ zece miliarde de grad peste zero absolut. Și în timp ce echipa bănuia că a avut loc o superchimie cuantică, nu aveau dovezi.

Această dovadă a venit trei ani mai târziu. Până atunci, au adunat dovezile a două semne distinctive ale superchimiei cuantice. În primul rând, reacția avea loc în mod colectiv, ceea ce înseamnă că mulți atomi de cesiu au devenit molecule de cesiu simultan. Și în al doilea rând, era reversibil, adică atomii vor deveni molecule, care vor deveni atomi și mai departe.

Pentru Chin, experimentele de anul trecut sunt doar începutul. Ei au produs molecule cu doi atomi folosind superchimie. Dar Chin crede că moleculele cu trei atomi sunt la îndemână și este încântat să vadă ce altceva ar putea fi posibil.

Unde ne duce superchimia cuantică

Așa cum este adesea cazul în domenii ale cercetării fundamentale precum acesta, experimentele au ridicat noi întrebări teoretice. De exemplu, în sistemul teoretic de superchimie cuantică al lui Heinzen și Drummond, mai mult de jumătate din atomii dintr-o capcană s-ar transforma în molecule și apoi s-ar întoarce din nou. Dar grupul lui Chin a observat că o astfel de conversie s-a întâmplat doar în 20% din timp. „Încă sunt multe de înțeles pentru a obține eficiențe mai mari”, a spus Chin într-un e-mail.

Heinzen suspectează că coliziunile dintre moleculele din gazul dens sunt de vină. Ciocnirile ar putea împinge moleculele în diferite stări cuantice, scoțându-le din grupul de molecule condensate. El și Drummond nu luaseră în considerare această posibilitate în teoria lor.

„A fost evident chiar de la început [that collisions were] va fi un fel de efect negativ, dar în 2000 nu aveam idee cât de mare va fi”, a spus Heinzen. “Am spus doar că îl ignorăm pentru că nu știm cât de mare”.

Experimentele au arătat, de asemenea, că trei atomi de cesiu au fost implicați frecvent în formarea unei singure molecule de Cs2 (și lăsând un atom de Cs rămas), pe care fizicienii o numesc o interacțiune cu trei corpuri. Predicțiile anterioare despre superchimia cuantică nu au inclus astfel de interacțiuni.

Pentru Chin, acesta este un indiciu că va trebui să facă niște experimente noi. Dacă grupul său poate proiecta și perfecționa experimente pentru a sonda aceste interacțiuni cu mai multe corpuri, ar putea ajuta la elucidarea regulilor superchimiei cuantice.

În ciuda acestor întrebări deschise, mulți oameni de știință consideră superchimia cuantică ca un posibil instrument pentru o mai bună înțelegere a reacțiilor chimice în general. Atomii și moleculele dintr-un pahar de fierbere locuiesc într-o gamă largă de stări cuantice și interacționează în nenumărate moduri care le fac prea complicate pentru a fi studiate în detaliu experimental. În schimb, atomii și moleculele foarte simple din BEC sunt în stări cuantice controlate cu precizie, bine definite. Deci, superchimia cuantică ar putea fi o modalitate de a studia reacțiile în detaliu foarte fin.

“[It’s] un regim foarte atrăgător în ceea ce privește promovarea înțelegerii noastre fundamentale a chimiei”, Waseem Bakrun fizician de la Universitatea Princeton care studiază atomii și moleculele ultrareci, a declarat pentru Live Science.

Superchimia cuantică îi încântă și pe oamenii de știință pentru că oferă un control precis asupra stărilor cuantice moleculare.

Asta ar putea fi util pentru simularea cuantică, un văr al calculatoare cuantice. De obicei, oamenii de știință simulează sisteme cuantice pe sisteme „clasice”, cum ar fi computerele convenționale. Dar multe procese, cum ar fi supraconducția la temperatură înaltă, ar putea fi mai bine modelate folosind sisteme cuantice care sunt guvernate de aceleași reguli cuantice. Superchimia cuantică le-ar oferi oamenilor de știință un instrument pentru producerea de molecule în stări cuantice specifice care ar permite acele simulări, a spus Bakr.

Heinzen vede o mulțime de motive pentru ca oamenii de știință să continue să exploreze fenomenul pe care l-a ajutat să viseze acum mai bine de 20 de ani. În timp ce aplicațiile sunt puțin mai mult decât visuri în acest moment, istoria a arătat că progresele în știința fundamentală pot duce uneori la aplicații surprinzătoare pe viitor.

„Nu este evident acum”, a spus el. „Dar chiar merită făcut”.

Sam Lemonick este un reporter și scriitor independent care locuiește în Maine. A studiat chimia și literatura engleză la Carleton College din Minnesota. El se concentrează pe chimie, dar a acoperit totul, de la învățarea automată până la Marte și otrăvirea cu mercur până la borcanele Mason. De asemenea, raportează pentru ziarul său local, Harpswell Anchor.