Forskere demonstrerer overlevelsen af ​​kvantekohærens i en kemisk reaktion, der involverer ultrakolde molekyler

Hvis du zoomer ind på en kemisk reaktion på kvanteniveauet, vil du bemærke, at partikler opfører sig som bølger, der kan bølge og kollidere. Forskere har længe søgt at forstå kvantekohærens, partiklernes evne til at opretholde faseforhold og eksistere i flere tilstande samtidigt; dette svarer til, at alle dele af en bølge er synkroniseret. Det har været et åbent spørgsmål, om kvantekohærens kan bestå gennem en kemisk reaktion, hvor bindinger dynamisk brydes og dannes.

Nu har et hold af Harvard-forskere for første gang demonstreret overlevelsen af ​​kvantekohærens i en kemisk reaktion, der involverer ultrakolde molekyler. Disse resultater fremhæver potentialet i at udnytte kemiske reaktioner til fremtidige anvendelser inden for kvanteinformationsvidenskab.

"Jeg er ekstremt stolt af vores arbejde med at undersøge en meget fundamental egenskab ved en kemisk reaktion, hvor vi virkelig ikke vidste, hvad resultatet ville være," sagde senior medforfatter Kang-Kuen Ni, Theodore William Richards professor i kemi og professor i Fysik. "Det var virkelig glædeligt at lave et eksperiment for at finde ud af, hvad Moder Natur fortæller os."

I papiret, udgivet i Science , beskriver forskerne, hvordan de studerede en specifik kemisk atomudvekslingsreaktion i et ultrakoldt miljø, der involverede ⁴⁰ K ⁸⁷ Rb bialkali-molekyler, hvor to kalium-rubidium (KRb)-molekyler reagerer og danner kalium (K₂ ) og rubidium (Rb₂ ) produkter.

Holdet forberedte de indledende nukleare spins i KRb-molekyler i en sammenfiltret tilstand ved at manipulere magnetiske felter og undersøgte derefter resultatet med specialiserede værktøjer. I det ultrakolde miljø var Ni Lab i stand til at spore de nukleare spin-frihedsgrader og observere den indviklede kvantedynamik, der ligger til grund for reaktionsprocessen og resultatet.

Arbejdet blev udført af flere medlemmer af Ni's Lab, herunder Yi-Xiang Liu, Lingbang Zhu, Jeshurun ​​Luke, J.J. Arfor Houwman, Mark C. Babin og Ming-Guang Hu.

Ved at bruge laserkøling og magnetisk fangst var holdet i stand til at afkøle deres molekyler til kun en brøkdel af en grad over det absolutte nulpunkt. I dette ultrakolde miljø på kun 500 nanoKelvin sænker molekyler farten, hvilket gør det muligt for forskere at isolere, manipulere og detektere individuelle kvantetilstande med bemærkelsesværdig præcision. Denne kontrol letter observationen af ​​kvanteeffekter såsom superposition, sammenfiltring og sammenhæng, som spiller grundlæggende roller i molekylers adfærd og kemiske reaktioner.

Ved at anvende sofistikerede teknikker, herunder tilfældighedsdetektion, hvor forskerne kan udvælge de nøjagtige par af reaktionsprodukter fra individuelle reaktionsbegivenheder, var forskerne i stand til at kortlægge og beskrive reaktionsprodukterne med præcision. Tidligere observerede de, at opdelingen af ​​energi mellem produktmolekylernes rotations- og translationsbevægelse var kaotisk. Derfor er det overraskende at finde kvanteorden i form af sammenhæng i den samme underliggende reaktionsdynamik, denne gang i den nukleare spin-frihedsgrad.

Resultaterne afslørede, at kvantekohærens blev bevaret inden for den nukleare spin-frihedsgrad under hele reaktionen. Overlevelsen af ​​kohærens indebar, at produktmolekylerne, K₂ og Rb₂ , var i en sammenfiltret tilstand og arvede sammenfiltringen fra reaktanterne. Desuden demonstrerede forskerne ved bevidst at inducere dekohærens i reaktanterne kontrol over reaktionsproduktets fordeling.

Fremadrettet håber Ni på strengt at kunne bevise, at produktmolekylerne var viklet ind, og hun er optimistisk om, at kvantesammenhæng kan fortsætte i ikke-ultrakolde miljøer.

"Vi mener, at resultatet er generelt og ikke nødvendigvis begrænset til lave temperaturer og kan ske under mere varme og våde forhold," sagde Ni. "Det betyder, at der er en mekanisme for kemiske reaktioner, som vi bare ikke vidste om før."

Første medforfatter og kandidatstuderende Lingbang Zhu ser eksperimentet som en mulighed for at udvide folks forståelse af kemiske reaktioner generelt.

"Vi undersøger fænomener, der muligvis forekommer i naturen," sagde Zhu. "Vi kan forsøge at udvide vores koncept til andre kemiske reaktioner. Selvom den elektroniske struktur af KRb kan være anderledes, kan ideen om interferens i reaktioner også generaliseres til andre kemiske systemer."