Une étude démontre des réactions chimiques à plusieurs corps dans un gaz quantique dégénéré.

13 août 2023 fonctionnalité

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par Ingrid Fadelli, Phys.org

Ces dernières années, les physiciens ont cherché à contrôler les réactions chimiques dans le régime dégénéré quantique, où la longueur d'onde de De Broglie des particules devient comparable à l'espacement entre elles. Les prédictions théoriques suggèrent que les réactions à plusieurs corps entre des réactifs bosoniques dans ce régime seront marquées par la cohérence quantique et l'amplification de Bose, mais il est difficile de le valider expérimentalement. 

Des chercheurs de l'Université de Chicago se sont récemment lancés dans l'observation de ces réactions chimiques à plusieurs corps insaisissables dans le régime dégénéré quantique. Leur article, publié dans Nature Physics, présente l'observation de réactions collectives cohérentes entre des atomes et des molécules condensés de Bose.

"Le contrôle quantique des réactions moléculaires est un domaine de recherche en pleine expansion dans la physique atomique et moléculaire", a déclaré Cheng Chin, l'un des chercheurs ayant mené l'étude, à Phys.org.

"Les gens imaginent des applications de molécules froides dans la métrologie de précision, l'information quantique et le contrôle quantique des réactions chimiques. Parmi tous les objectifs, la superscience chimique quantique est un objectif scientifique majeur. Il y a plus de 20 ans, les chercheurs ont prédit que les réactions chimiques peuvent être collectivement améliorées par la mécanique quantique lorsque les réactifs et les produits sont préparés dans un seul état quantique."

L'amélioration des réactions chimiques par des processus mécaniques quantiques est un objectif de recherche depuis longtemps. Ces réactions chimiques stimulées, appelées "super réactions", ressemblent étroitement à la supraconductivité ou au fonctionnement des lasers, mais avec des molécules au lieu d'électrons ou de photons, respectivement.

L'objectif principal du travail récent de Chin et de ses collègues était d'observer des super réactions à plusieurs corps dans un gaz quantique dégénéré. Pour mener leurs expériences, ils ont spécifiquement utilisé l'atome de césium condensé de Bose, un élément fortement électronégatif et alcalin qui a souvent été utilisé pour développer des horloges atomiques et des technologies quantiques.

"Les atomes de césium sont chimiquement réactifs à basse température et peuvent être convertis en un condensat de Bose moléculaire avec une grande efficacité", explique Chin. "Nous avons suivi la dynamique de la formation moléculaire dans le condensat atomique et avons observé une cohérence quantique macroscopique entre les atomes et les molécules."

Les expériences de l'équipe ont donné une série d'observations intéressantes. Ils ont découvert que les réactions chimiques super dans le condensat d'atomes de césium étaient initialement marquées par la formation rapide de molécules. Tandis qu'ils se dirigeaient vers l'équilibre, ces molécules oscillaient à des vitesses différentes. Les échantillons avec une densité d'atomes plus élevée semblaient osciller plus rapidement, laissant entrevoir une amplification bosonique des réactions.

"Notre travail démontre de nouveaux principes directeurs des réactions chimiques dans le régime dégénéré quantique", déclare Chin. "En particulier, nous montrons que tous les atomes et les molécules peuvent réagir collectivement comme un tout. De telles réactions à plusieurs corps promettent de contrôler l'avancement et l'inversion de la chimie sans dissipation, et de diriger la voie de réaction vers les produits souhaités."

Le travail récent de Chin et de ses collègues contribue à la compréhension actuelle des réactions chimiques à plusieurs corps quantiques, en décrivant une voie viable pour contrôler ces réactions à la dégénérescence quantique. Dans leur article, les chercheurs présentent un modèle de champ quantique qui capture bien les principales dynamiques de ces réactions et qui pourrait donc guider les futures expériences dans ce domaine d'étude.

"Nous prévoyons maintenant d'identifier de nouvelles lois fondamentales qui régissent les réactions chimiques dans le régime à plusieurs corps quantiques", ajoute Chin. "Par exemple, les molécules condensées sont décrites par une seule fonction d'onde et la phase de la fonction d'onde peut être la clé pour contrôler la direction de la réaction chimique. De plus, nous examinerons les effets à plusieurs corps dans les réactions des molécules plus complexes, polyatomiques."

Informations sur la revue: Nature Physics

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