Studie zeigt chemische Reaktionen von Mehrkörpern in einem quantenentarteten Gas.

13. August 2023 Merkmal

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von Ingrid Fadelli, Phys.org

In den letzten Jahren haben Physiker versucht, die Kontrolle von chemischen Reaktionen im quantenentarteten Regime zu erlangen, in dem die de-Broglie-Wellenlänge von Teilchen vergleichbar mit dem Abstand zwischen ihnen wird. Theoretische Vorhersagen legen nahe, dass viele-Körper-Reaktionen zwischen bosonischen Reaktanten in diesem Regime durch Quantenkoherenz und Bose-Verstärkung gekennzeichnet sein werden, doch bisher war es schwer, dies experimentell zu validieren. 

Forscher der University of Chicago haben kürzlich versucht, diese schwer fassbaren viele-Körper-chemischen Reaktionen im quantenentarteten Regime zu beobachten. Ihre Studie, veröffentlicht in Nature Physics, präsentiert die Beobachtung kohärenter, kollektiver Reaktionen zwischen kondensierten Bose-Teilchen und Molekülen.

'Die quantenkontrollierte Reaktion von Molekülen ist ein schnell voranschreitendes Forschungsgebiet in der Atom- und Molekülphysik', sagte Cheng Chin, einer der Forscher, der die Studie durchgeführt hat, zu Phys.org.

'Die Leute stellen sich den Einsatz von kalten Molekülen in der Präzisions-Metrologie, der Quanteninformation und der quantenkontrollierten chemischen Reaktion vor. Unter allen Zielen ist die Quanten-Superchemie ein wichtiges wissenschaftliches Ziel. Vor über 20 Jahren haben Forscher vorhergesagt, dass chemische Reaktionen durch Quantenmechanik kollektiv verstärkt werden können, wenn Reaktanten und Produkte in einem einzigen Quantenzustand vorbereitet werden.'

Die Verstärkung chemischer Reaktionen durch quantenmechanische Prozesse ist seit einiger Zeit ein lang angestrebtes Forschungsziel. Diese verstärkten chemischen Reaktionen, als 'Superreaktionen' bezeichnet, ähneln stark der Supraleitung oder der Funktionsweise von Lasern, jedoch mit Molekülen anstelle von Elektronen oder Photonen.

Das Hauptziel der jüngsten Arbeit von Chin und seinen Kollegen war es, viele-Körper-Superreaktionen in einem quantenentarteten Gas zu beobachten. Für ihre Experimente verwendeten sie speziell kondensierte Cäsiumatome, ein stark elektropositives und alkalines Element, das häufig zur Entwicklung von Atomuhren und Quantentechnologien verwendet wurde.

'Cäsiumatome sind bei niedrigen Temperaturen chemisch reaktiv und können mit hoher Effizienz in ein molekulares Bose-Kondensat umgewandelt werden', erklärte Chin. 'Wir haben die Dynamik der Molekülbildung im atomaren Kondensat überwacht und eine makroskopische Quantenkoherenz zwischen den Atomen und Molekülen beobachtet.'

Die Experimente des Teams lieferten eine Reihe interessanter Beobachtungen. Sie stellten fest, dass superchemische Reaktionen in den kondensierten Cäsiumatomen zunächst durch die schnelle Bildung von Molekülen gekennzeichnet waren. Während sie sich dem Gleichgewicht näherten, schwingten diese Moleküle mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten. Proben mit einer höheren Atomdichte schienen schneller zu schwingen, was auf eine bosonische Verstärkung der Reaktionen hindeutet.

'Unsere Arbeit zeigt neue Leitprinzipien für chemische Reaktionen im quantenentarteten Regime', sagte Chin. 'Insbesondere zeigen wir, dass alle Atome und Moleküle kollektiv als Ganzes reagieren können. Solche viele-Körper-Reaktionen versprechen Kontrollmöglichkeiten, um Chemie voranzubringen und umzukehren, ohne Energieverlust, und um den Reaktionsweg in gewünschte Produkte zu lenken.'

Die jüngste Arbeit von Chin und seinen Kollegen trägt zum aktuellen Verständnis von vielen-Körper-chemischen Reaktionen bei und skizziert einen gangbaren Weg, um diese Reaktionen bei quantenentarteten Zuständen zu kontrollieren. In ihrer Studie stellen die Forscher ein quantenfeldtheoretisches Modell vor, das die wesentlichen Dynamiken dieser Reaktionen gut einfängt und zukünftige Experimente in diesem Forschungsbereich leiten könnte.

'Wir planen nun, neue grundlegende Gesetze zu identifizieren, die chemische Reaktionen im quantenentarteten viele-Körper-Regime bestimmen', fügte Chin hinzu. 'Zum Beispiel werden die kondensierten Moleküle durch eine einzige Wellenfunktion beschrieben, und die Phase der Wellenfunktion kann den Schlüssel dazu liefern, die Richtung der chemischen Reaktion zu kontrollieren. Außerdem werden wir viele-Körper-Effekte in den Reaktionen von komplexeren, polyatomaren Molekülen untersuchen.'

Zeitschrifteninformationen: Nature Physics

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