Poslednjih godina, fizičari pokušavaju da ostvare kontrolu hemijskih reakcija u kvantnom degenerisanom režimu (gas koji čine fermioni, elektroni, protoni, neutroni, umesto uobičajenih molekula materije), gde de Broljeva talasna dužina čestica postaje uporediva sa razmakom između njih. Teorijska predviđanja sugerišu da će reakcije mnogih tela između bozonskih reaktanata u ovom režimu biti obeležene kvantnom koherentnošću i Bose poboljšanjem, ali je ovo bilo teško eksperimentalno potvrditi.
Istraživači sa Univerziteta u Čikagu su nedavno počeli da posmatraju ove neuhvatljive hemijske reakcije mnogih tela u kvantnom degenerisanom režimu. Njihov rad, objavljen u Nature Phisics, predstavlja posmatranje koherentnih, kolektivnih reakcija između Boze kondenzovanih atoma i molekula.
„Kvantna kontrola molekularnih reakcija je oblast istraživanja u atomskoj i molekularnoj fizici koja brzo napreduje“, rekao je za Phis.org Čeng Čin, jedan od istraživača koji su sproveli studiju.
„Ljudi zamišljaju primenu hladnih molekula u preciznoj metrologiji, kvantnim informacijama i kvantnoj kontroli hemijskih reakcija. Među svim ciljevima, kvantna superhemija je glavni naučni cilj. Pre više od 20 godina, istraživači su predvideli da se hemijske reakcije mogu zajednički poboljšati kvantna mehanika kada se reaktanti i proizvodi pripremaju u jednom kvantnom stanju.“
Poboljšanje hemijskih reakcija putem kvantnih mehaničkih procesa je već neko vreme dugo traženi cilj istraživanja. Ove pojačane hemijske reakcije, koje se nazivaju ‘super reakcije’ veoma liče na supravodljivost ili funkcionisanje lasera, ali sa molekulima umesto elektrona ili fotona, respektivno.
Primarni cilj nedavnog rada Čina i njegovih kolega bio je da se posmatraju super reakcije mnogih tela u kvantnom degenerisanom gasu. Da bi sproveli svoje eksperimente, oni su posebno koristili Bose kondenzovani atom cezijuma, snažno elektropozitivan i alkalni element koji se često koristio za razvoj atomskih satova i kvantnih tehnologija.
„Atomi cezijuma su hemijski reaktivni na niskim temperaturama i mogu se pretvoriti u molekularni Bose kondenzat sa visokom efikasnošću“, objasnio je Čin. „Pratili smo dinamiku formiranja molekula u atomskom kondenzatu i primetili makroskopsku kvantnu koherentnost između atoma i molekula.“
Eksperimenti tima dali su niz zanimljivih zapažanja. Otkrili su da su superhemijske reakcije u atomima cezijuma kondenzata u početku bile obeležene brzim formiranjem molekula. Kako su se pomerali ka ravnoteži, ovi molekuli su oscilovali različitim brzinama. Činilo se da uzorci sa većom gustinom atoma osciliraju brže, nagoveštavajući bozonsko poboljšanje reakcija.
„Naš rad pokazuje nove vodeći principe za hemijske reakcije u kvantnom degenerisanom režimu“, rekao je Čin. „Konkretno, pokazujemo da svi atomi i molekuli mogu reagovati kolektivno kao celina. Takve reakcije sa više tela obećavaju kontrole za unapređenje i preokrenutu hemiju bez rasipanja, i da usmere put reakcije u željene proizvode.“
Nedavni rad Čina i njegovih kolega doprinosi sadašnjem razumevanju kvantnih hemijskih reakcija više tela, ocrtavajući održiv put za kontrolu ovih reakcija u kvantnoj degeneraciji. U svom radu, istraživači uvode model kvantnog polja koji dobro hvata ključnu dinamiku ovih reakcija i tako može voditi buduće eksperimente u ovoj oblasti proučavanja.
„Sada planiramo da identifikujemo nove fundamentalne zakone koji upravljaju hemijskim reakcijama u kvantnom režimu više tela“, dodao je Čin. „Na primer, kondenzovani molekuli su opisani jednom talasnom funkcijom i faza talasne funkcije može da drži ključ za kontrolu pravca hemijske reakcije. Pored toga, mi ćemo istražiti efekte mnogih tela u reakcijama složenijih , poliatomski molekuli.“
