Nu heeft een team van Harvard-wetenschappers voor het eerst het voortbestaan ​​van kwantumcoherentie aangetoond in een chemische reactie waarbij ultrakoude moleculen betrokken zijn. Deze bevindingen benadrukken het potentieel van het benutten van chemische reacties voor toekomstige toepassingen in de kwantuminformatiewetenschap.

"Ik ben buitengewoon trots op ons werk bij het onderzoeken van een zeer fundamentele eigenschap van een chemische reactie waarvan we echt niet wisten wat het resultaat zou zijn", aldus senior co-auteur Kang-Kuen Ni, Theodore William Richards hoogleraar scheikunde en hoogleraar scheikunde. Natuurkunde. "Het was erg bevredigend om een ​​experiment te doen om erachter te komen wat Moeder Natuur ons vertelt."

In het artikel, gepubliceerd in Science , beschrijven de onderzoekers hoe ze een specifieke chemische reactie van atoomuitwisseling in een ultrakoude omgeving hebben bestudeerd, waarbij ⁴⁰ betrokken was K ⁸⁷ Rb bialkali-moleculen, waarbij twee kalium-rubidium (KRb) moleculen reageren om kalium (K₂) te vormen ) en rubidium (Rb₂ ) producten.

Het team bereidde de initiële kernspins in KRb-moleculen in een verstrengelde toestand voor door magnetische velden te manipuleren en onderzocht vervolgens de uitkomst met gespecialiseerde hulpmiddelen. In de ultrakoude omgeving kon het Ni Lab de vrijheidsgraden van de kernspin volgen en de ingewikkelde kwantumdynamiek observeren die ten grondslag ligt aan het reactieproces en de uitkomst.

Het werk werd uitgevoerd door verschillende leden van Ni's Lab, waaronder Yi-Xiang Liu, Lingbang Zhu, Jeshurun ​​Luke, J.J. Arfor Houwman, Mark C. Babin en Ming-Guang Hu.

Met behulp van laserkoeling en magnetische trapping kon het team hun moleculen afkoelen tot slechts een fractie van een graad boven het absolute nulpunt. In deze ultrakoude omgeving van slechts 500 nanoKelvin vertragen moleculen, waardoor wetenschappers individuele kwantumtoestanden met opmerkelijke precisie kunnen isoleren, manipuleren en detecteren. Deze controle vergemakkelijkt de observatie van kwantumeffecten zoals superpositie, verstrengeling en coherentie, die een fundamentele rol spelen in het gedrag van moleculen en chemische reacties.

Door gebruik te maken van geavanceerde technieken, waaronder toevalsdetectie, waarbij de onderzoekers de exacte paren reactieproducten uit individuele reactiegebeurtenissen kunnen kiezen, konden de onderzoekers de reactieproducten nauwkeurig in kaart brengen en beschrijven. Eerder observeerden ze dat de verdeling van energie tussen de rotatie- en translatiebeweging van de productmoleculen chaotisch was. Daarom is het verrassend om kwantumorde in de vorm van coherentie aan te treffen in dezelfde onderliggende reactiedynamiek, dit keer in de vrijheidsgraad van de nucleaire spin.

Uit de resultaten bleek dat de kwantumcoherentie gedurende de hele reactie binnen de vrijheidsgraad van de kernspin bleef behouden. Het voortbestaan ​​van coherentie impliceerde dat de productmoleculen, K₂ en Rb₂ , bevonden zich in een verstrengelde toestand en erfden de verstrengeling van de reactanten. Bovendien hebben de onderzoekers, door opzettelijk decoherentie in de reactanten te induceren, controle getoond over de verdeling van het reactieproduct.

In de toekomst hoopt Ni rigoureus te bewijzen dat de productmoleculen verstrengeld waren, en ze is optimistisch dat kwantumcoherentie kan blijven bestaan ​​in niet-ultrakoude omgevingen.

"Wij geloven dat het resultaat algemeen is en niet noodzakelijkerwijs beperkt is tot lage temperaturen en zou kunnen optreden in warmere en nattere omstandigheden", zei Ni. "Dat betekent dat er een mechanisme bestaat voor chemische reacties waarvan we voorheen nog niet op de hoogte waren."

Eerste co-auteur en afgestudeerde student Lingbang Zhu ziet het experiment als een kans om het inzicht van mensen over chemische reacties in het algemeen te vergroten.

"We onderzoeken verschijnselen die mogelijk in de natuur voorkomen", zei Zhu. "We kunnen proberen ons concept uit te breiden naar andere chemische reacties. Hoewel de elektronische structuur van KRb anders kan zijn, zou het idee van interferentie in reacties ook gegeneraliseerd kunnen worden naar andere chemische systemen."