دانشمندان برای اولین بار "ابر شیمی کوانتومی" را در آزمایشگاه مشاهده کردند

ابرشیمی کوانتومی می‌تواند به افزایش سرعت واکنش‌های شیمیایی و حتی پیشرفت رایانش کوانتومی کمک کند.

دانشمندان دانشگاه شیکاگو اولین شواهد از پدیده‌ای موسوم به «ابرشیمی کوانتومی» را شناسایی کرده‌اند. این پدیده که از مدت‌ها قبل پیش‌بینی شده ولی هرگز به تأیید نرسیده بود، می‌تواند سرعت واکنش‌های شیمیایی را افزایش دهد، کنترل پژوهشگران بر واکنش‌ها را بیشتر کند و به کمک رایانش کوانتومی بیاید.

گروهی از محققان دانشگاه شیکاگو توانسته‌اند برای اولین‌بار شواهد یک اثر کوانتومی مشهور به ابرشیمی را مشاهده کنند. این پدیده با یک وضعیت عجیب در مواد موسوم به چگالش بوز-اینشتین شروع می‌شود که در آن ابری از اتم‌ها به دمایی در حدود صفر مطلق می‌رسد و اتم‌ها را به وضعیت کوانتومی می‌برد تا شبیه یک اتم بزرگ رفتار کنند. محققان پیش‌تر این نظریه را مطرح کرده بودند که انجام واکنش‌های شیمیایی در این وضعیت می‌تواند به نتایجی متفاوت از وضعیت عادی منجر شود.

در شیمی کلاسیک، اتم‌ها در یک ترکیب به‌صورت تصادفی با یکدیگر برخورد می‌کنند و با هر برخورد فرصتی برای شکل‌گیری یک مولکول به‌وجود می‌آید. اما اگر اتم‌ها همگی در یک وضعیت کوانتومی مشترک قرار بگیرند، می‌توانند کنش‌ها را به‌صورت دسته‌جمعی انجام دهند.

«چنگ چین»، محقق ارشد این پژوهش می‌گوید: «[در این صورت] دیگر نه با یک واکنش شیمیایی در قالب برخوردی میان ذرات مستقل، بلکه با یک فرایند جمعی روبه‌رو هستید. این ذرات همگی با هم به‌عنوان یک کل واکنش نشان می‌دهند.»

محققان چگونه موفق به مشاهده ابرشیمی کوانتومی شدند؟

پژوهشگران در این آزمایش اتم‌های سزیم را تا دمایی فوق‌العاده پایین خنک کردند، سپس آن‌ها را به‌صورت گروهی به یک وضعیت کوانتومی مشترک بردند. سپس مشاهده کردند که اتم‌ها در قالبی شبیه ابرشیمی مولکول‌های جدیدی را شکل می‌دهند.

این فرایند پیامدهایی را به‌دنبال دارد که آن را از شیمی عادی متمایز می‌کند. برای نمونه، چون اتم‌ها همگی با هم عمل می‌کنند، واکنش‌ها بسیار سریع‌تر رخ می‌دهند و هرچه تعداد اتم‌ها بیشتر باشد، این سرعت بیشتر می‌شود. محققان می‌گویند اتم‌هایی که درنهایت از این روش به‌دست می‌آیند، همگی وضعیت یکسانی دارند. بنابراین استفاده از ابرشیمی برای تولید مجموعه بزرگی از مولکول‌های یکسان بسیار بهتر از شیمی سنتی است.

دانشمندان می‌گویند در این آزمایش یک پدیده عجیب دیگر را هم دیده‌اند: تعداد تعاملات سه‌طرفه بیشتر از تعاملات دوطرفه بوده است. یعنی در یک واکنش سه اتم وجود دارد که دو اتم یک مولکول جدید را شکل می‌دهند و اتم سوم به نحوی به این واکنش کمک می‌کند.

این دستاورد مهم می‌تواند مسیر دستیابی به فناوری‌های جدید در حوزه شیمی کوانتوم و رایانش کوانتوم را هموار کند و به مطالعه بهتر قوانین فیزیک منجر شود. نتایج پژوهش حاضر در مجله Nature Physics منتشر شده است.