Forskere designer nye eksperimenter for at kortlægge og teste det mystiske kvanterige

En hjertekirurg behøver ikke at forstå kvantemekanikken for at udføre vellykkede operationer. Selv kemikere behøver ikke altid at kende disse grundlæggende principper for at studere kemiske reaktioner. Men for Kang-Kuen Ni, Morris Kahn lektor i kemi og kemisk biologi og i fysik, quantum spelunking er, som udforskning af rummet, en søgen efter at opdage et stort og mystisk nyt rige.

I dag, meget af kvantemekanikken forklares af Schrödingers ligning, en slags masterteori, der styrer egenskaberne ved alt på Jorden. "Selvom vi ved det, i princippet, kvantemekanikken styrer alt, "Ni sagde, "at faktisk se det er svært, og faktisk at beregne det er næsten umuligt."

Med nogle få velbegrundede antagelser og nogle innovative teknikker, Ni og hendes team kan opnå det næsten umulige. I deres laboratorium, de tester nuværende kvanteteorier om kemiske reaktioner mod faktiske eksperimentelle data for at komme tættere på et verificerbart kort over de love, der styrer det mystiske kvanterige. Og nu, med ultrakold kemi – hvor atomer og molekyler afkøles til temperaturer lige over det absolutte nulpunkt, hvor de bliver meget kontrollerbare – har Ni og hendes laboratoriemedlemmer indsamlet ægte eksperimentelle data fra en tidligere uudforsket kvantegrænse, giver stærke beviser på, hvad den teoretiske model fik rigtigt (og forkert), og en køreplan for yderligere udforskning i de næste skyggefulde lag af kvanterum.

"Vi kender de underliggende love, der styrer alt, "sagde Ni." Men fordi næsten alt på Jorden er lavet af mindst tre eller flere atomer, disse love bliver hurtigt alt for komplekse til at løse."

I deres undersøgelse rapporteret i Natur , Ni og hendes team satte sig for at identificere alle de mulige energitilstandsresultater, fra start til slut, af en reaktion mellem to kalium- og rubidiummolekyler - en mere kompleks reaktion end tidligere blevet undersøgt i kvanteriget. Det er ikke nogen let bedrift:På sit mest grundlæggende niveau, en reaktion mellem fire molekyler har et enormt antal dimensioner (elektronerne spinder rundt om hvert atom, for eksempel, kunne være på et næsten uendeligt antal steder samtidigt). Den meget høje dimensionalitet gør det umuligt at beregne alle de mulige reaktionsbaner med den nuværende teknologi.

"At beregne præcis, hvordan energi omfordeles under en reaktion mellem fire atomer, er uden for kraften i nutidens bedste computere, " sagde Ni. En kvantecomputer er måske det eneste værktøj, der en dag kunne opnå en så kompleks beregning.

I mellemtiden, beregning af det umulige kræver et par velbegrundede antagelser og tilnærmelser (at vælge et sted for en af ​​disse elektroner, for eksempel) og specialiserede teknikker, der giver Ni og hendes team ultimativ kontrol over deres reaktion.

En sådan teknik var en anden nylig Ni lab opdagelse:I en undersøgelse offentliggjort i Natur Kemi , hun og hendes team udnyttede en pålidelig egenskab ved molekyler - deres meget stabile nukleare spin - til at kontrollere kvantetilstanden af ​​de reagerende molekyler hele vejen igennem til produkterne. De opdagede også en måde at detektere produkter fra en enkelt kollisionsreaktion, en svær bedrift når 10, 000 molekyler kunne reagere samtidigt. Med disse to nye metoder, holdet kunne identificere det unikke spektrum og kvantetilstand for hvert produktmolekyle, den form for præcis kontrol, der er nødvendig for at måle alle 57 veje, som deres kaliumrubidium-reaktion kunne tage.

Over flere måneder under COVID-19-pandemien, holdet kørte eksperimenter for at indsamle data om hver af disse 57 mulige reaktionskanaler, gentage hver kanal en gang hvert minut i flere dage, før du går videre til den næste. Heldigvis når eksperimentet er sat op, det kan køres eksternt:Labmedlemmer kunne blive hjemme, holde laboratoriet genbesat på COVID-19-standarder, mens systemet kørte på.

"Testen, " sagde Matthew Nichols, en postdoktor i Ni-laboratoriet og en forfatter på begge artikler, "indikerer god overensstemmelse mellem målingen og modellen for en delmængde, der indeholder 50 tilstandspar, men afslører betydelige afvigelser i flere tilstandspar."

Med andre ord, deres eksperimentelle data bekræftede, at tidligere forudsigelser baseret på statistisk teori (en langt mindre kompleks end Schrödingers ligning) er nøjagtige - for det meste. Ved at bruge deres data, holdet kunne måle sandsynligheden for, at deres kemiske reaktion ville tage hver af de 57 reaktionskanaler. Derefter, de sammenlignede deres procenter med den statistiske model. Kun syv af de 57 viste en signifikant nok divergens til at udfordre teorien.

"Vi har data, der flytter denne grænse, " sagde Ni. "For at forklare de syv afvigende kanaler, vi skal beregne Schrödingers ligning, hvilket stadig er umuligt. Så nu, teorien skal indhente og foreslå nye måder til effektivt at udføre sådanne eksakte kvanteberegninger."

Næste, Ni og hendes team planlægger at nedskalere deres eksperiment og analysere en reaktion mellem kun tre atomer (et molekyle og et atom). I teorien, denne reaktion, som har langt færre dimensioner end en fire-atom reaktion, burde være lettere at beregne og studere i kvanteområdet. Og stadigvæk, allerede, holdet opdagede noget mærkeligt:​​Mellemfasen af ​​reaktionen lever i mange størrelsesordener længere, end teorien forudsiger.

"Der er allerede mysterium, "Sagde Ni." Det er op til teoretikerne nu. "