Wissenschaftler der UChicago beobachten im Labor erste Hinweise auf „Quantensuperchemie“.

Von Louise Lerner

4. August 2023

Ein Team der University of Chicago hat den ersten Beweis für „Quantensuperchemie“ bekannt gegeben – ein Phänomen, bei dem Teilchen im gleichen Quantenzustand kollektiv beschleunigte Reaktionen eingehen. Der Effekt war vorhergesagt, aber im Labor nie beobachtet worden.

Die am 24. Juli in Nature Physics veröffentlichten Ergebnisse öffnen die Tür zu einem neuen Gebiet. Wissenschaftler sind stark an sogenannten „quantenverstärkten“ chemischen Reaktionen interessiert, die in der Quantenchemie, im Quantencomputing und in anderen Technologien Anwendung finden könnten, aber auch für ein besseres Verständnis der Gesetze des Universums.

„Was wir gesehen haben, stimmte mit den theoretischen Vorhersagen überein“, sagte Cheng Chin, Professor für Physik und Mitglied des James Franck Institute und des Enrico Fermi Institute, dessen Labor die Forschung durchführte. „Dies ist seit 20 Jahren ein wissenschaftliches Ziel, es ist also eine sehr aufregende Ära.“

Chins Labor ist auf die Arbeit mit Partikeln spezialisiert, die bei sehr, sehr niedrigen Temperaturen gehalten werden. In der Nähe des absoluten Nullpunkts können sich Teilchen so verbinden, dass sie sich alle im selben Quantenzustand befinden – wo sie ungewöhnliche Fähigkeiten und Verhaltensweisen zeigen können.

Es wurde die Theorie aufgestellt, dass sich eine Gruppe von Atomen und Molekülen im gleichen Quantenzustand bei chemischen Reaktionen unterschiedlich verhalten würde, aber die Schwierigkeit, das Experiment zu orchestrieren, bedeutete, dass dies nie beobachtet wurde.

Chins Gruppe hat Erfahrung darin, Atome in Quantenzustände zu treiben, aber Moleküle sind größer und viel komplexer als Atome – daher musste die Gruppe neue Techniken erfinden, um sie zu manipulieren.

In den Experimenten kühlten die Wissenschaftler Cäsiumatome ab und brachten sie in denselben Quantenzustand. Als nächstes beobachteten sie, wie die Atome reagierten und Moleküle bildeten.

In der gewöhnlichen Chemie würden die einzelnen Atome kollidieren, und es besteht die Wahrscheinlichkeit, dass bei jeder Kollision ein Molekül entsteht. Die Quantenmechanik sagt jedoch voraus, dass Atome in einem Quantenzustand stattdessen gemeinsam Aktionen ausführen.

„Man betrachtet eine chemische Reaktion nicht mehr als Kollision zwischen unabhängigen Teilchen, sondern als einen kollektiven Prozess“, erklärte Chin. „Alle reagieren gemeinsam, als Ganzes.“

Eine Folge davon ist, dass die Reaktion schneller abläuft als unter normalen Bedingungen. Tatsächlich läuft die Reaktion umso schneller ab, je mehr Atome sich im System befinden.

Eine weitere Konsequenz ist, dass die endgültigen Moleküle denselben Molekülzustand aufweisen. Chin erklärte, dass dieselben Moleküle in unterschiedlichen Zuständen unterschiedliche physikalische und chemische Eigenschaften haben können – aber es gibt Zeiten, in denen man eine Reihe von Molekülen in einem bestimmten Zustand erzeugen möchte. In der traditionellen Chemie würfeln Sie. „Aber mit dieser Technik kann man die Moleküle in einen identischen Zustand bringen“, sagte er.

Shu Nagata, ein Doktorand und Co-Autor der Arbeit, fügte hinzu, dass sie Hinweise darauf sahen, dass die Reaktion häufiger als Drei-Körper-Wechselwirkung stattfände als als Zwei-Körper-Wechselwirkung. Das heißt, drei Atome würden kollidieren; zwei würden ein Molekül bilden und der dritte blieb einzeln. Aber der Dritte spielte bei der Reaktion eine gewisse Rolle.

Die Wissenschaftler hoffen, dass der Durchbruch der Beginn einer neuen Ära ist. Obwohl dieses Experiment mit einfachen, zweiatomigen Molekülen durchgeführt wurde, planen sie, sich auf die Handhabung größerer und komplexerer Moleküle hochzuarbeiten.

„Wie weit wir unser Verständnis und unser Wissen über Quantentechnik auf kompliziertere Moleküle übertragen können, ist eine wichtige Forschungsrichtung in dieser wissenschaftlichen Gemeinschaft“, sagte Chin.

Einige auf diesem Gebiet haben sich vorgestellt, Moleküle beispielsweise als Qubits in Quantencomputern oder in der Quanteninformationsverarbeitung zu verwenden. Andere Wissenschaftler erforschen sie als Zugang zu noch präziseren Messungen grundlegender Gesetze und Wechselwirkungen, beispielsweise zum Testen grundlegender Gesetze des Universums wie Symmetrieverletzungen.

Zhendong Zhang (PhD'22, jetzt an der Stanford University) und Kai-Xuan Yao (PhD'22, jetzt bei Citadel) waren ebenfalls Co-Autoren des Artikels.

Zitat: „Chemische Vielteilchenreaktionen in einem quantenentarteten Gas.“ Zhang, Nagata, Yao und Chin, Nature Physics, 24. Juli 2023.

Finanzierung: National Science Foundation, Air Force Office of Scientific Research, Grainger Graduate Fellowship, Takenaka Scholarship Foundation.

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