Een hartchirurg hoeft kwantummechanica niet te begrijpen om succesvolle operaties uit te voeren. Zelfs chemici hoeven deze fundamentele principes niet altijd te kennen om chemische reacties te bestuderen. Maar voor Kang-Kuen Ni, de Morris Kahn universitair hoofddocent scheikunde en chemische biologie en natuurkunde, kwantumspelunking is, zoals verkenning van de ruimte, een zoektocht om een ​​enorm en mysterieus nieuw rijk te ontdekken.

Vandaag, veel van de kwantummechanica wordt verklaard door de vergelijking van Schrödinger, een soort hoofdtheorie die de eigenschappen van alles op aarde regelt. "Ook al weten we dat, in principe, kwantummechanica regelt alles, "Ni zei, "Om het echt te zien is moeilijk en om het daadwerkelijk te berekenen is bijna onmogelijk."

Met een paar goed onderbouwde aannames en enkele innovatieve technieken, Ni en haar team kunnen het bijna onmogelijke bereiken. In hun laboratorium, ze testen de huidige kwantumtheorieën over chemische reacties tegen feitelijke experimentele gegevens om dichter bij een verifieerbare kaart te komen van de wetten die het mysterieuze kwantumrijk beheersen. En nu, met ultrakoude chemie - waarin atomen en moleculen worden afgekoeld tot temperaturen net boven het absolute nulpunt, waar ze zeer beheersbaar worden - hebben Ni en haar laboratoriumleden echte experimentele gegevens verzameld van een voorheen onontgonnen kwantumgrens, sterk bewijs leveren van wat het theoretische model goed (en fout) had, en een routekaart voor verdere verkenning van de volgende schimmige lagen van de kwantumruimte.

"We kennen de onderliggende wetten die alles beheersen, ' zei Ni. 'Maar omdat bijna alles op aarde uit minstens drie of meer atomen bestaat, die wetten worden al snel veel te complex om op te lossen."

In hun studie gerapporteerd in Natuur , Ni en haar team gingen op zoek naar alle mogelijke uitkomsten van de energietoestand, van begin tot eind, van een reactie tussen twee kalium- en rubidiummoleculen - een complexere reactie dan eerder in het kwantumrijk was bestudeerd. Dat is geen gemakkelijke prestatie:op het meest fundamentele niveau, een reactie tussen vier moleculen heeft een enorm aantal dimensies (de elektronen die rond elk atoom draaien, bijvoorbeeld, op een bijna oneindig aantal locaties tegelijk kunnen zijn). Die zeer hoge dimensionaliteit maakt het met de huidige technologie onmogelijk om alle mogelijke reactietrajecten te berekenen.

"Precies berekenen hoe energie zich herverdeelt tijdens een reactie tussen vier atomen, gaat de kracht van de beste computers van vandaag te boven, " zei Ni. Een kwantumcomputer zou het enige hulpmiddel kunnen zijn dat ooit zo'n complexe berekening zou kunnen maken.

Ondertussen, het onmogelijke berekenen vereist een paar goed onderbouwde aannames en benaderingen (één locatie kiezen voor een van die elektronen, bijvoorbeeld) en gespecialiseerde technieken die Ni en haar team ultieme controle geven over hun reactie.

Een van die technieken was een andere recente ontdekking van het Ni-lab:in een studie gepubliceerd in Natuur Scheikunde , zij en haar team maakten gebruik van een betrouwbaar kenmerk van moleculen - hun zeer stabiele kernspin - om de kwantumtoestand van de reagerende moleculen tot aan de producten te beheersen. Ze ontdekten ook een manier om producten van een enkele botsingsreactie te detecteren, een moeilijke prestatie als 10, 000 moleculen kunnen gelijktijdig reageren. Met deze twee nieuwe methoden, het team kon het unieke spectrum en de kwantumtoestand van elk productmolecuul identificeren, het soort nauwkeurige controle dat nodig is om alle 57 routes te meten die hun kaliumrubidiumreactie zou kunnen nemen.

Gedurende enkele maanden tijdens de COVID-19-pandemie, het team voerde experimenten uit om gegevens te verzamelen over elk van die 57 mogelijke reactiekanalen, herhaal elk kanaal eens per minuut gedurende meerdere dagen voordat u doorgaat naar het volgende. Gelukkig, zodra het experiment is opgezet, het kan op afstand worden uitgevoerd:Lab-leden kunnen thuis blijven, de herbezetting van het lab houden aan de COVID-19-normen, terwijl het systeem doordraaide.

"De test, " zei Matthew Nichols, een postdoctoraal wetenschapper in het Ni-lab en een auteur van beide artikelen, "geeft een goede overeenkomst aan tussen de meting en het model voor een subset met 50 toestandsparen, maar onthult significante afwijkingen in verschillende toestandsparen."

Met andere woorden, hun experimentele gegevens bevestigden dat eerdere voorspellingen op basis van statistische theorie (een veel minder complex dan de vergelijking van Schrödinger) juist zijn - meestal. Met behulp van hun gegevens, het team kon de waarschijnlijkheid meten dat hun chemische reactie elk van de 57 reactiekanalen zou gebruiken. Vervolgens, ze vergeleken hun percentages met het statistische model. Slechts zeven van de 57 vertoonden een voldoende significant verschil om de theorie aan te vechten.

"We hebben gegevens die deze grens verleggen, " zei Ni. "Om de zeven afwijkende kanalen uit te leggen, we moeten de vergelijking van Schrödinger berekenen, wat nog steeds onmogelijk is. Dus nu, de theorie moet een inhaalslag maken en nieuwe manieren voorstellen om dergelijke exacte kwantumberekeningen efficiënt uit te voeren."

Volgende, Ni en haar team zijn van plan hun experiment terug te schroeven en een reactie tussen slechts drie atomen (één molecuul en een atoom) te analyseren. In theorie, deze reactie, die veel minder dimensies heeft dan een reactie met vier atomen, moet gemakkelijker te berekenen en te bestuderen zijn in het kwantumrijk. En toch, nu al, het team ontdekte iets vreemds:de tussenfase van de reactie leeft vele orden van grootte langer voort dan de theorie voorspelt.

"Er is al mysterie, ' zei Ni. 'Het is nu aan de theoretici.'