シカゴ大学の科学者による画期的な発見

ブレークスルーは、基本的な洞察と新しいテクノロジーへの道を示す可能性があります。

のチーム シカゴ大学 彼は、同じ量子状態にある粒子が加速相互作用を起こす現象である「量子超化学」の最初の証拠を明らかにした。 以前から予想されていましたが、この効果はこれまで実験室で観察されたことはありませんでした。

で結果が発表されました 自然物理学 7月24日、新たなフィールドへの扉を開ける。 科学者たちは、量子化学に応用できる可能性のある、いわゆる「量子増強」化学反応に強い関心を持っています。 定量的統計、その他のテクノロジーだけでなく、宇宙の法則についての理解を深めることもできます。

「私たちが観察したことは、理論的な予想と一致しています」と物理学教授であり、この研究を行ったジェームズ・フランク研究所とエンリコ・フェルミ研究所のメンバーであるチェン・チェン氏は述べた。 「これは20年来の科学の目標であり、非常にエキサイティングな時代です。」

科学者らは、同じ量子状態にある粒子が加速されたグループ相互作用を受ける現象である「量子超化学」の最初の証拠を発表した。 上は、研究室での共著者 Zhendong Zhang (左) と Cheng Chin 教授の研究です。 クレジット: ジョン・ゼック

ポーズの改善: プロセス

チェンの研究室は、極低温で存在する分子の研究を専門としています。 近い 絶対零度粒子は相関することができるため、すべてが同じ量子状態になり、異常な能力や動作を示すことができます。

同じ量子状態にある原子や分子のグループは、化学反応中に異なる動作をするという仮説が立てられましたが、実験を組織することが困難だったため、それは観測されませんでした。

チェン氏のグループは原子を量子状態に集める経験があるが、粒子は原子よりも大きく複雑であるため、粒子に対抗する新しい技術を考案する必要があった。

「量子幾何学の理解と知識をより複雑な粒子にどこまで押し込めるかが、この科学コミュニティにおける主要な研究の方向性です。」

– チェン・チェン、物理学教授

実験では、科学者たちはセシウム原子を冷却し、それらを同じ量子状態に誘導しました。 次に、原子が相互作用して分子を形成する様子を観察しました。

通常の化学では、個々の原子が衝突し、衝突するたびに分子が形成される可能性があります。 しかし、量子力学は、量子状態の原子が代わりに集合的な作用を行うと予測します。

意味と結果

「もはや化学反応を独立した粒子の衝突として扱うのではなく、集合的なプロセスとして扱うのです」とチェン氏は説明した。 「それらはすべて、全体として相互作用します。」

結果の 1 つは、反応が通常の状況よりも速く起こることです。 実際、系内の原子の数が多いほど、反応は速くなります。

もう 1 つの結果は、最終的な分子が同じ分子状態を共有することです。 チェン氏は、異なる状態の同じ分子は異なる物理的および化学的特性を持つ可能性があると説明しました。しかし、特定の状態の分子のグループを作成したい場合もあります。 伝統的な錬金術では、サイコロを振っています。 「しかし、この技術を使えば、分子を同じ状態にすることができます」と彼は言う。

大学院生で論文の共著者である永田周氏は、反応が二体相互作用よりも三体相互作用としてより頻繁に起こっているという証拠が見られたと付け加えた。 つまり、3つの原子が衝突することになります。 2 つが分子を形成し、3 つ目は単一のままになります。 しかし、3つ目は反応に何らかの役割を果たしました。

技術力

この躍進は新たな時代の始まりを示しています。 実験では2本使用しましたが、トウモロコシ 分子については、より大きく、より複雑な分子を扱う計画があります。

「量子幾何学の理解と知識をより複雑な粒子にどこまで押し込めるかが、この科学界における主要な研究の方向性だ」とチェン氏は語った。

この分野では、たとえば量子コンピュータや量子情報処理において粒子を量子ビットとして使用することを構想している人もいます。 他の科学者は、対称性の破れなどの宇宙の基本法則をテストするなど、基本法則と相互作用のより正確な測定への入り口としてそれらを研究しています。

参考文献: 「定量的崩壊ガスにおける多体化学反応」Zhendong Zhang、Shu Nagata、Kai-Xuan Yao、および Cheng Chin 著、2023 年 7 月 24 日、ここから入手可能。 自然物理学。
DOI: 10.1038/s41567-023-02139-8

Zhendong Zhang (PhD 22、現在スタンフォード大学在学) と Kai-Xuan Yao (PhD 22、現在 Citadel 在学) がこの論文の共著者でした。

資金提供: 米国科学財団、空軍科学研究局、グレインジャー大学院フェローシップ、竹中財団奨学金。