科學家在實驗室中觀察到“量子超化學”的第一個證據

奇怪的事情發生在量子水平上。整個粒子云可能會糾纏在一起，當他們作為一個整體行事時，他們的個性就會消失。

現在，科學家們首次觀察到，超冷原子冷卻到量子態，作為一個集體進行化學反應，而不是在偶然碰撞后隨意形成新分子。

“我們看到的與理論預測一致，”說芝加哥大學物理學家、該研究的資深作者Cheng Chin。“這已經是20年的科學目標，所以這是一個非常令人興奮的時代。

所有粒子、原子和分子都以熱能嗡嗡作響，在其原子結構的范圍內振動或與物質中的其他分子一起推擠。將顆粒冷卻到超冷溫度會使它們進入不那么混亂的狀態;將它們固定在光學陷阱中也限制了他們的運動。

幾十年前，科學家表明，隨著溫度降至接近絕對零度，顆粒甚至開始嚙合成礫巖，具有共享量子標識;他們的個人屬性被開始占主導地位的奇怪的集體行為所沖刷。

不過，分子比原子更難馴服。但到了2019年，科學家們已經找到了辦法自爭吵他們也進入共享量子態。

從那里，科學家預測，如果分子凝聚或一起當被引誘進入相同的量子態時，量子景觀中可能會有一種全新的化學反應。

在某些情況下，這種共享的量子態，稱為量子簡并，被認為抑制化學反應在一定速率遠為大比低溫通常減緩化學反應。

研究人員還認為，如果這些分子“耦合”在一起并作為一個整體反應，共享量子態的分子可能會產生加速的化學反應。但是，與任何探索量子領域的實驗，這種理論化的行為一直很難觀察到。

“到目前為止，對這些多體現象（也稱為'超化學'）的觀察一直難以捉摸，”Chin及其同事。在他們發表的論文中寫道.

在他們的嘗試中，Chin及其同事持有一種超冷氣體銫光學陷阱中的原子，將它們以共享的量子態結合。然后研究人員誘導化學反應，通過打開磁場將它們轉化為分子，并分析反應動力學。

他們的結果表明，簡并量子氣體與普通氣體中的化學反應確實遵循不同的規則。

在臨界溫度以下，研究小組觀察到粒子碰撞急劇下降。與此同時，他們測量了當原子在化學反應中消失時分子的快速形成 - 粒子已經進入量子簡并狀態，反應發生的速度比普通條件下更快。

“臨界溫度Tc附近分子形成速率的急劇轉變表明經典和量子簡并狀態中的不同定律，”Chin及其同事寫.

磁場關閉后，剩余的原子和分子也以相干耦合振蕩幾毫秒。進一步的實驗揭示了潛在的反應機理，研究人員對此進行了研究。描述作為“量子增強”化學過程的證據。

然而，這些實驗涉及簡單的雙原子分子的創造，因此在確定我們所看到的之前，該團隊的發現需要重復。更大、更復雜的分子的實驗也在進行中。

“在量子簡并態中觀察相干和集體化學反應為探索多體物理學和超冷化學之間的相互作用鋪平了道路，”研究人員說。結束.

該研究已發表在自然物理學.

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