Vědci poprvé v laboratoři pozorovali kvantovou superchemii

Klasická chemie bere chemické reakce jako náhodné srážky atomů, při nichž mohou vzniknout molekuly. Když ale uděláte Boseho-Einsteinův kondezát s atomy, které jsou všechny ve stejném kvantovém stavu, chemická reakce probíhá jako kolektivní proces a podstatně rychleji než obvykle. Taková je kvantová superchemie.

Chen Ching vpravo. Kredit: John Zich / University of Chicago.

V klasické chemii jde o to, že se náhodně srážejí jednotlivé atomy a při každé takové srážce existuje určitá pravděpodobnost, že dojde k jejich spojení do příslušné molekuly. Jenomže, jak je zvykem, kvantová mechanika mění pravidla hry. V tomto případě již před časem předpověděla, že atomy, které jsou ve stejném kvantové, stavu, by měly v takové situaci fungovat kolektivně.

Říká se tomu kvantová superchemie a až doposud to byla ryzí teorie. Teď přichází s průlomem Cheng Chin z americké University of Chicago a jeho spolupracovníci, kteří jako první přímo pozorovali projevy kvantové superchemie v experimentu. Potvrzení existence kvantové superchemie by mělo přispět ke zlepšení kontroly chemických reakcí i k jejich zrychlení.

Klasická vizualizace B–E kondenzátu. Kredit: NIST/JILA/CU-Boulder.

Chin a spol. pracovali s Boseho–Einsteinovým kondenzátem. Ten představuje oblak atomů ochlazených téměř k absolutní nule, které jsou ve stejném kvantovém stavu a chovají se jako jediný veliký atom. Podle dřívějších předpovědí by za takových okolností měla chemická reakce probíhat jako kolektivní proces.

Badatelé ve svém experimentu zchladili atomy cesia a vytvořili z nich tím Boseho–Einsteinův kondenzát. Pak sledovali, jak se atomy chovají během chemické reakce. Ukázalo se, že kvantová superchemie funguje tak, jak bylo předpovězeno. A má to důsledky. Například, kolektivní reakce je mnohem rychlejší než náhodné srážení. Navíc, čím víc je tam atomů, tím běží kvantová superchemie rychleji.

Logo. Kredit: University of Chicago.

Další, důsledkem je, že kvantová superchemie vytváří zcela identické molekuly výsledné látky spolehlivěji než klasická chemie.

Chinův tým rovněž pozoroval zvláštní jev. Při kvantové superchemii častěji probíhala interakce tří objektů než obvyklá interakce dvou objektů. Jinými slovy, docházelo tam k reakcím tří atomů, přičemž dva z nich se spojily do molekuly a třetí jim u toho nějak „asistoval“.

Jde o významný průlom, který se projeví ve kvantové chemii, kvantových výpočtech i v základním výzkumu. Prozatím šlo o kvantovou superchemii u jednoduchých molekul ze dvou atomů. Chinův tým ale již plánuje další výzkum, který by měl zahrnout i kvantovou superchemii složitějších molekul.

Video: Bose-Einstein Condensation Animation | BE Condensate | Physics Hub