研究人員首次在實驗室中觀察到了“量子超化學”。
量子超化學是一種長期以來被理論化但從未被觀察到的現象，在這種現象中，處於相同量子態的原子或分子比處於不同量子態的原子或分子化學反應更快。量子態是量子粒子的特徵集合，例如自旋（角動量）或能級。
為了觀察這種新的超速化學，研究人員不得不誘導不僅是原子，而是整個分子都進入相同的量子態。當他們這樣做時，他們發現化學反應是集體發生的，而不是單獨發生的。而且，涉及的原子越多，意味著原子的密度越大，化學反應就越快。
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芝加哥大學物理學教授、領導這項研究的程欽在一份宣告中說：“我們所看到的與理論預測相符。這已經是一個20年的科學目標，所以這是一個非常激動人心的時代。”
該團隊於7月24日在《自然·物理》雜誌上報告了他們的發現。他們觀察到銫原子配對形成分子的量子超化學現象。首先，他們將銫氣體冷卻到接近絕對零度，即所有運動停止的點。在這種冷卻狀態下，他們可以將每個銫原子引導到相同的量子態。然後，他們改變了周圍的磁場，以啟動原子的化學鍵合。
當研究人員在正常的非超冷氣體中進行實驗時，這些原子更快地反應在一起，形成雙原子銫分子。至少在幾毫秒內，生成的分子也共享相同的量子態，之後原子和分子開始衰變，不再一起振盪。
程欽說：“有了這項技術，你可以引導分子進入相同的狀態。”
研究人員發現，儘管反應的最終結果是雙原子分子，但實際上涉及了三個原子，一個備用原子以促進反應的方式與兩個鍵合原子相互作用。
這可能對量子化學和量子計算中的應用很有用，因為處於相同量子態的分子共享物理和化學性質。這些實驗是超冷化學領域的一部分，該領域旨在透過利用在這些低溫狀態下發生的量子相互作用，獲得對化學反應的極其精細的控制。例如，超冷粒子可以用作量子位元，或量子計算中攜帶資訊的量子位。
程欽說，這項研究僅使用了簡單的分子，因此下一個目標是嘗試用更復雜的分子創造量子超化學。
他說：“對於量子工程，我們能夠將理解和知識推進到更復雜的分子到什麼程度，是這個科學界的主要研究方向。”
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