Sciencemag.cz
Doporučujeme
Vědci oznámili první důkaz „kvantové superchemie“ – jevu, kdy částice ve stejném kvantovém stavu podstupují kolektivní urychlené chemické reakce. Tento jev byl předpovězen již dříve, ale až dosud se jej nepodařilo realizovat v laboratoři.
Výsledky mají otevírat dveře novému oboru. Kvantově zesílené chemické reakce by mohly najít uplatnění v samotné chemii, kvantové výpočetní technice a dalších technologiích, ale také rozšířit naše chápání základních přírodních zákonů (dále se v této souvislosti zmiňuje např. narušení symetrie).
Při teplotách blízkých absolutní nule se částice mohou propojit tak, že jsou všechny ve stejném kvantovém stavu, přičemž mohou vykazovat neobvyklé vlastnosti (poznámka: souvisí to nějak s různými kondenzáty z bosonů apod.?).
Již dříve se předpokládalo, že skupina atomů a molekul ve stejném kvantovém stavu se bude při chemických reakcích chovat odlišně, ale kvůli obtížnému uspořádání experimentu to nikdy nebylo přímo pozorováno. Spoluautor nové studie Cheng Chin (University of Chicago, James Franck Institute, Enrico Fermi Institute) uvádí, že nyní se konečně podařilo i experimentálně ověřit, co dosud předpovídala pouze teorie.
Vědecká skupina již dříve dokázala příslušné kvantové efekty realizovat u atomů, v případě molekul to ovšem bylo obtížnější. Bylo proto třeba vyvinout i nové techniky.
Při pokusech vědci ochladili atomy cesia a dostali je do stejného kvantovému stavu. Poté sledovali, jak atomy reagují a vytvářejí molekuly. V běžné chemii by se jednotlivé atomy srážely a při každé srážce by s určitou pravděpodobností vznikla molekula. Kvantová mechanika však předpovídá, že atomy ve stejném kvantovém stavu místo toho provádějí akce kolektivně. „Chemickou reakci pak již nepovažujeme za srážku mezi nezávislými částicemi, ale za kolektivní proces,“ uvedl Ch. Chin. „Všechny částice reagovaly společně, jako celek.“ Průvodní tisková zpráva dále uvádí následující přirovnání (nebo spíš „doplnění?“): reakce za těchto podmínek probíhá častěji jako interakce tří těles než dvou. To znamená, že se srazí tři atomy, dva vytvoří molekulu a třetí zůstane samostatný. I tento třetí atom však se hrál v reakci určitou roli.
Jedním z důsledků je, že reakce probíhá rychleji než za běžných podmínek. Ve skutečnosti platí, že čím více atomů je v systému (a tím větší kolektivní chování), tím rychleji reakce probíhá.
Dalším důsledkem je, že i výsledné molekuly sdílejí stejný stav, mají tedy totožné fyzikální a chemické vlastnosti – což se může v řadě případů hodit (poznámka: zde by to jistě stálo za to nějak upřesnit, jak se to vlastně myslí).
Experiment byl proveden s jednoduchými dvouatomovými molekulami, ale autoři výzkumu hodlají pokračovat ke složitějším molekulám. Lze si představit využití těchto molekul například jako qubitů v kvantových počítačích nebo obecněji při zpracování kvantové informace.
Zhendong Zhang et al, Many-body chemical reactions in a quantum degenerate gas, Nature Physics (2023). DOI: 10.1038/s41567-023-02139-8
Zdroj: University of Chicago / Phys.org, přeloženo, zkráceno
Poznámka PH: Zcela laicky bych byl skeptický k využití jevu v samotné chemii, při urychlování chemických reakcí. Pokud to vše vyžaduje teploty blízké absolutní nule, pak snížení teploty bude znamenat současně obrovské snížení rychlosti chemické reakce, čili výsledný dopad na efektivitu… (leda snad pro exotické reakce, které se stejně musejí provádět na velmi nízkých teplot, např. kvůli posunu rovnováhy, „šipky“).
