Uno studio dimostra reazioni chimiche a molti corpi in un gas degenerato quantistico.

13 agosto 2023 caratteristica

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da Ingrid Fadelli, Phys.org

Negli ultimi anni, i fisici hanno cercato di ottenere il controllo delle reazioni chimiche nel regime quantistico degenere, dove la lunghezza d'onda di de Broglie delle particelle diventa comparabile con la distanza tra loro. Le previsioni teoriche suggeriscono che le reazioni many-body tra reagenti bosonici in questo regime saranno contraddistinte dalla coerenza quantistica e dall'aumento di Bose, tuttavia ciò è stato difficile da verificare sperimentalmente.

Ricercatori dell'Università di Chicago hanno recentemente cercato di osservare queste elusive reazioni chimiche many-body nel regime quantistico degenere. Il loro articolo, pubblicato su Nature Physics, presenta l'osservazione di reazioni coerenti e collettive tra atomi e molecole condensati di Bose.

'Il controllo quantistico delle reazioni molecolari è un'area di ricerca in rapido progresso nella fisica atomica e molecolare', ha detto Cheng Chin, uno dei ricercatori che ha condotto lo studio, a Phys.org.

'Le persone immaginano applicazioni di molecole fredde nella metrologia di precisione, nell'informazione quantistica e nel controllo quantistico delle reazioni chimiche. Tra tutti gli obiettivi, la super-chimica quantistica è un importante obiettivo scientifico. Più di 20 anni fa, i ricercatori predissero che le reazioni chimiche possono essere collettivamente potenziate dalla meccanica quantistica quando reagenti e prodotti sono preparati in uno stato quantistico singolo.'

L'aumento delle reazioni chimiche tramite processi meccanici quantistici è stato a lungo un obiettivo di ricerca ambito. Queste reazioni chimiche potenziate, denominate 'super reactions', assomigliano molto alla superconduttività o al funzionamento dei laser, ma con molecole invece di elettroni o fotoni, rispettivamente.

L'obiettivo principale del recente lavoro di Chin e dei suoi colleghi era di osservare le reazioni many-body super in un gas quantistico degenere. Per condurre i loro esperimenti, hanno specificamente utilizzato l'atomo di cesio condensato di Bose, un elemento fortemente elettro-positivo e alcalino che è stato spesso utilizzato per sviluppare orologi atomici e tecnologie quantistiche.

'Gli atomi di cesio sono chimicamente reattivi a basse temperature e possono essere convertiti in un condensato di Bose molecolare con un'alta efficienza', ha spiegato Chin. 'Abbiamo monitorato la dinamica della formazione molecolare nel condensato atomico e osservato la coerenza quantistica macroscopica tra gli atomi e le molecole.'

Gli esperimenti del team hanno portato a una serie di interessanti osservazioni. Hanno scoperto che le reazioni chimiche super negli atomi di cesio condensato erano inizialmente contrassegnate dalla rapida formazione di molecole. Man mano che si avvicinavano all'equilibrio, queste molecole oscillavano a velocità diverse. Campioni con una densità di atomi più elevata sembravano oscillare più velocemente, suggerendo un potenziamento bosonico delle reazioni.

'Il nostro lavoro dimostra nuovi principi guida per le reazioni chimiche nel regime quantistico degenere', ha detto Chin. 'In particolare, mostriamo che tutti gli atomi e le molecole possono reagire collettivamente come un tutt'uno. Tali reazioni many-body promettono di controllare l'avanzamento e il rovesciamento della chimica senza dissipazione, e di indirizzare il percorso di reazione verso i prodotti desiderati.'

Il recente lavoro di Chin e dei suoi colleghi contribuisce alla comprensione attuale delle reazioni chimiche many-body quantistiche, delineando una via fattibile per controllare queste reazioni nella degenerazione quantistica. Nel loro articolo, i ricercatori introducono un modello di campo quantistico che cattura bene le dinamiche chiave di queste reazioni e potrebbe quindi guidare futuri esperimenti in questo campo di studio.

'Ora pianifichiamo di identificare nuove leggi fondamentali che governano le reazioni chimiche nel regime many-body quantistico', ha aggiunto Chin. 'Ad esempio, le molecole condensate sono descritte da una singola funzione d'onda e la fase della funzione d'onda può essere la chiave per controllare la direzione della reazione chimica. Inoltre, esamineremo gli effetti many-body nelle reazioni di molecole complesse e poliatomiche.'

Informazioni sulla rivista: Nature Physics

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