اپتیک و کوانتوم

دانشمندان مدت‌هاست که به دنبال درک همدوسی کوانتومی، توانایی ذرات برای حفظ روابط فازی و وجود همزمان در چندین حالت بوده‌اند. این شبیه به همگام شدن تمام قسمت های یک موج است. این یک سوال باز بوده است که آیا همدوسی کوانتومی می تواند از طریق یک واکنش شیمیایی که در آن پیوندها به طور پویا شکسته و تشکیل می شوند، ادامه یابد. اکنون، برای اولین بار، تیمی از دانشمندان هاروارد بقای همدوسی کوانتومی را در یک واکنش شیمیایی شامل مولکول‌های فوق سرد نشان داده‌اند. این یافته ها پتانسیل مهار واکنش های شیمیایی برای کاربردهای آینده در علم اطلاعات کوانتومی را برجسته می کند.

کانگ کوئن نی، یکی از نویسندگان ارشد، تئودور ویلیام ریچاردز، استاد شیمی و پروفسور دانشگاه، می‌گویند: «من به کارمان در مورد بررسی یک ویژگی بسیار اساسی یک واکنش شیمیایی که در آن واقعاً نمی‌دانستیم نتیجه چه می‌شود، بسیار مفتخرم. انجام آزمایشی برای یافتن آنچه مادر طبیعت به ما می گوید واقعاً خوشحال کننده بود. در این مقاله که در Science منتشر شده است، محققان نحوه بررسی یک واکنش شیمیایی تبادل اتمی خاص را در یک محیط فوق‌سرد شامل مولکول‌های دو قلیایی 40K87Rb، که در آن دو مولکول پتاسیم روبیدیم (KRb) واکنش می‌دهند و محصولات پتاسیم (K2) و روبیدیوم (Rb2) را تشکیل می‌دهند، بررسی کردند.

این تیم با دستکاری میدان‌های مغناطیسی، اسپین‌های هسته‌ای اولیه را در مولکول‌های KRb در یک حالت درهم‌تنیده آماده کردند و سپس نتیجه را با ابزارهای تخصصی بررسی کردند. در محیط فوق سرد، آزمایشگاه Ni توانست درجات آزادی اسپین هسته ای را ردیابی کند و دینامیک کوانتومی پیچیده ای را که در فرآیند و نتیجه واکنش وجود دارد، مشاهده کند. این کار توسط چندین عضو آزمایشگاه Ni، از جمله یی-شیانگ لیو، لینگ بانگ ژو، جشورون لوک، جی.جی. آرفور هومن، مارک سی بابین و مینگ گوانگ هو با استفاده از خنک کننده لیزری و تله گذاری مغناطیسی، انجام شد و این تیم توانست مولکول های خود را فقط تا کسری از درجه بالاتر از صفر مطلق خنک کند. در این محیط فوق‌سرد، با 500 نانوکلوین، مولکول‌ها کند می‌شوند و دانشمندان را قادر می‌سازد تا حالت‌های کوانتومی منفرد را با دقت قابل‌توجهی جداسازی، دستکاری و تشخیص دهند. این کنترل، مشاهده اثرات کوانتومی مانند برهم نهی، درهم تنیدگی و همدوسی را تسهیل می کند که نقش اساسی در رفتار مولکول ها و واکنش های شیمیایی دارند.

با استفاده از تکنیک‌های پیچیده، از جمله تشخیص تصادفی که محققان می‌توانند جفت‌های دقیق محصولات واکنش را از رویدادهای واکنش فردی انتخاب کنند، محققان توانستند محصولات واکنش را با دقت نقشه‌برداری و توصیف کنند. پیش از این، آنها تقسیم انرژی بین حرکت چرخشی و انتقالی مولکول های محصول را مشاهده کردند. بنابراین، یافتن نظم کوانتومی به شکل همدوسی در همان دینامیک واکنش زیربنایی، این بار در درجه آزادی اسپین هسته‌ای، شگفت‌آور است. نتایج نشان داد که همدوسی کوانتومی در درجه آزادی اسپین هسته‌ای در طول واکنش حفظ می‌شود. بقای همدوسی نشان می دهد که مولکول های محصول، K2 و Rb2، در یک حالت درهم تنیده هستند و درهم تنیدگی را از واکنش دهنده ها به ارث می برند. علاوه بر این، با القای عمدی ناهمدوسی در واکنش‌دهنده‌ها، محققان کنترلی بر توزیع محصول واکنش نشان دادند. در ادامه، نی امیدوار است که به طور جدی ثابت کند که مولکول های محصول درهم تنیده شده اند، و او خوش بین است که همدوسی کوانتومی می تواند در محیط های غیر فوق سرد باقی بماند. نی گفت: "ما معتقدیم که نتیجه کلی است و لزوما محدود به دماهای پایین نیست و می تواند در شرایط گرم و مرطوب تر اتفاق بیفتد." این بدان معناست که مکانیسمی برای واکنش های شیمیایی وجود دارد که ما قبلاً از آن بی اطلاع بودیم.

لینگ‌بانگ ژو، نویسنده اول و دانشجوی فارغ‌التحصیل، این آزمایش را فرصتی برای گسترش درک مردم درباره واکنش‌های شیمیایی می‌داند. ژو گفت: «ما در حال بررسی پدیده‌هایی هستیم که احتمالاً در طبیعت رخ می‌دهند. می‌توانیم سعی کنیم مفهوم خود را به سایر واکنش‌های شیمیایی گسترش دهیم. اگرچه ساختار الکترونیکی KRb ممکن است متفاوت باشد، ایده تداخل در واکنش‌ها را می‌توان به سایر سیستم‌های شیمیایی نیز تعمیم داد.

More information: Yi-Xiang Liu et al, Quantum interference in atom-exchange reactions, Science (2024)