„Quantensuperchemie“ zum ersten Mal überhaupt beobachtet
Forscher haben erstmals „Quantensuperchemie“ im Labor beobachtet.
Die seit langem theoretisierte, aber noch nie dagewesene Quantensuperchemie ist ein Phänomen, bei dem Atome oder Moleküle im gleichen Quantenzustand chemisch schneller reagieren als Atome oder Moleküle in unterschiedlichen Quantenzuständen Quantenzustände. Ein Quantenzustand ist eine Reihe von Eigenschaften eines Quantenteilchens, wie zum Beispiel Spin (Drehimpuls) oder Energieniveau.
Um diesen neuen Superaufgeladenen zu beobachten Chemiemussten Forscher nicht nur Atome, sondern ganze Moleküle in denselben Quantenzustand bringen. Dabei stellten sie jedoch fest, dass die chemischen Reaktionen kollektiv und nicht einzeln abliefen. Und je mehr Atome beteiligt waren, also je größer die Dichte der Atome, desto schneller verliefen die chemischen Reaktionen.
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„Was wir gesehen haben, stimmte mit den theoretischen Vorhersagen überein“, sagte Cheng Chin, Professor für Physik an der University of Chicago, der die Forschung leitete, in einem Interview Stellungnahme. „Dies ist seit 20 Jahren ein wissenschaftliches Ziel, es ist also eine sehr aufregende Ära.“
Das Team berichtete über seine Ergebnisse am 24. Juli in der Zeitschrift Naturphysik. Sie beobachteten die Quantensuperchemie in Cäsiumatomen, die sich zu Molekülen zusammenschlossen. Zuerst kühlten sie Cäsiumgas bis nahe an den absoluten Nullpunkt ab, den Punkt, an dem jegliche Bewegung aufhört. In diesem gekühlten Zustand könnten sie jedes Cäsiumatom in den gleichen Quantenzustand überführen. Anschließend veränderten sie das umgebende Magnetfeld, um die chemische Bindung der Atome in Gang zu setzen.
Diese Atome reagierten schneller miteinander und bildeten zweiatomige Cäsiummoleküle, als wenn die Forscher das Experiment in normalem, nicht unterkühltem Gas durchführten. Auch die resultierenden Moleküle befanden sich zumindest über mehrere Millisekunden hinweg in demselben Quantenzustand, woraufhin die Atome und Moleküle zu zerfallen beginnen und nicht mehr gemeinsam oszillieren.
„[W]„Mit dieser Technik kann man die Moleküle in einen identischen Zustand bringen“, sagte Chin.
Die Forscher fanden heraus, dass das Endergebnis der Reaktion zwar ein aus zwei Atomen bestehendes Molekül war, tatsächlich aber drei Atome beteiligt waren, wobei ein Ersatzatom mit den beiden Bindungsatomen auf eine Weise interagierte, die die Reaktion erleichterte.
Dies könnte für Anwendungen in der Quantenchemie und im Quantencomputing nützlich sein, da Moleküle im gleichen Quantenzustand physikalische und chemische Eigenschaften teilen. Die Experimente sind Teil der ultrakalten Chemie, deren Ziel es ist, eine unglaublich detaillierte Kontrolle über chemische Reaktionen zu erlangen, indem sie sich die Quantenwechselwirkungen zunutze macht, die in diesen kalten Zuständen auftreten. Ultrakalte Teilchen könnten beispielsweise als Qubits oder als Quantenbits, die Informationen im Quantencomputing transportieren, verwendet werden.
In der Studie wurden nur einfache Moleküle verwendet, daher sei das nächste Ziel der Versuch, Quantensuperchemie mit komplexeren Molekülen zu schaffen, sagte Chin.
„Wie weit wir unser Verständnis und unser Wissen über Quantentechnik auf kompliziertere Moleküle übertragen können, ist eine wichtige Forschungsrichtung in dieser wissenschaftlichen Gemeinschaft“, sagte er.