Kwetsbare kwantumverstrengeling kan de chaos van chemische reacties overleven

Vreemde kwantumfenomenen kunnen de verwoestingen van een chemische reactie overleven, hebben onderzoekers ontdekt. Dit zou uiteindelijk nuttig kunnen zijn voor nieuwe kwantumtechnologieën of verrassende kwantumkarakteristieken in de natuur kunnen onthullen.

“Normaal gesproken beschrijven mensen chemische reacties als iets heel chaotisch: je stopt er een hele hoop atomen in, ze ‘dansen’ een beetje rond, en wanneer de producten worden gevormd, vliegen ze er gewoon uit”, zegt Lingbang Zhu van de Harvard University. . Hij en zijn collega’s gingen op zoek naar wat dit deed met de kwantumeigenschappen van moleculen.

Kwantumobjecten kunnen zowel als deeltjes als golven fungeren. De onderzoekers concentreerden zich op een eigenschap die coherentie wordt genoemd en die het golvende karakter van moleculen weerspiegelt. Kwantumverstrengeling, waardoor objecten zelfs over grote afstanden onlosmakelijk met elkaar verbonden zijn, hangt nauw samen met coherentie. Het experiment biedt dus inzicht in het lot van interferentie tijdens een chemische reactie.

De kwantumeigenschappen van moleculen zijn het meest prominent bij extreem lage temperaturen, dus bestudeerden de onderzoekers kalium- en rubidiumatomen op slechts een miljardsten van een graad boven het absolute nulpunt. Om deze kou te bereiken plaatsten ze de atomen in een luchtloze kamer en gebruikten ze een precieze combinatie van laserstralen, magnetische velden en microgolfpulsen om ze af te koelen en tot moleculen te laten samensmelten.

Deze moleculen ondergingen spontaan chemische reacties, maar Zhu en zijn collega’s beheersten zorgvuldig hun aanvankelijke kwantumtoestanden, inclusief hun samenhang en verstrengeling. Na de reactie evalueerden ze de kwantumeigenschappen van de resulterende producten. Deze moleculen slaagden erin hun coherentie, of golfachtige eigenschap, te behouden – zozeer zelfs dat ze elkaar overlapten en met elkaar interfereerden als twee conventionele golven met niet-overeenkomende pieken en dalen.

Yong Chen van de Purdue Universiteit in Indiana zegt dat experimenten als deze de deur openen naar een nieuwe fase van kwantumonderzoek waarin wetenschappers niet alleen passief kwantumeigenschappen ontdekken, maar ook manieren vinden om ze te controleren. Hij zegt echter dat toekomstige experimenten de betrokkenheid van de moleculen nog steeds directer kunnen diagnosticeren.

Het team onderzoekt nu hoe de kwantumeigenschappen van moleculen kunnen worden gebruikt om te bepalen welk soort en hoeveel producten reacties produceren, en om aanwijzingen te verzamelen over de vraag of chemische reacties die in de natuur voorkomen mogelijk meer hoeveelheden bevatten dan eerder werd gedacht, zegt Zhu.