シカゴ大学の科学者が実験室で「量子超化学」の最初の証拠を観察

ルイーズ・ラーナー著

2023 年 8 月 4 日

シカゴ大学のチームは、同じ量子状態にある粒子が集合的に加速反応を起こす現象である「量子超化学」の最初の証拠を発表した。 この効果は予測されていましたが、実験室では観察されませんでした。

Nature Physics 誌に 7 月 24 日に掲載されたこの研究結果は、新たな分野への扉を開きます。 科学者は、いわゆる「量子増強」化学反応に強い関心を持っています。これは、量子化学、量子コンピューティング、その他の技術に応用できる可能性があり、宇宙の法則をより深く理解するのにも役立ちます。

「私たちが見たことは理論的予測と一致していました」と物理学教授であり、この研究を行ったジェームズ・フランク研究所とエンリコ・フェルミ研究所のメンバーであるチェン・チン氏は語った。 「これは20年来の科学的目標であり、非常にエキサイティングな時代です。」

チン氏の研究室は、非常に非常に低い温度に保たれた粒子を扱うことを専門としています。 絶対零度の近くでは、粒子が結合してすべてが同じ量子状態になり、異常な能力や動作を示すことがあります。

同じ量子状態にある原子や分子のグループは、化学反応中に異なる挙動を示すと理論化されていましたが、実験を調整することが困難だったため、これまで観測されたことはありませんでした。

チン氏のグループは、原子を量子状態に束ねる経験があるが、分子は原子よりも大きく、はるかに複雑であるため、グループは分子を束ねるための新しい技術を発明する必要があった。

実験では、科学者らはセシウム原子を冷却し、それらを同じ量子状態に誘導した。 次に、原子が反応して分子を形成する様子を観察しました。

通常の化学では、個々の原子が衝突し、それぞれの衝突で分子が形成される確率が存在します。 しかし、量子力学は、量子状態にある原子が集合的に作用を行うと予測します。

「化学反応を独立した粒子間の衝突として扱うのではなく、集合的なプロセスとして扱うようになりました」とチン氏は説明しました。 「全体として、それらすべてが一緒に反応しています。」

結果の 1 つは、反応が通常の条件下よりも速く起こることです。 実際、系内の原子が多ければ多いほど、反応はより速く起こります。

もう 1 つの結果は、最終的な分子が同じ分子状態を共有することです。 チン氏は、異なる状態にある同じ分子は異なる物理的および化学的特性を持つ可能性があるが、特定の状態にある分子のバッチを作成したい場合があると説明しました。 従来の化学では、サイコロを転がすことになります。 「しかし、この技術を使えば、分子を同じ状態に導くことができます」と彼は言う。

大学院生で論文の共著者である永田周氏は、反応が二体相互作用としてよりも三体相互作用としてより頻繁に起こっているという証拠が見られたと付け加えた。 つまり、3 つの原子が衝突します。 2 つは分子を形成し、3 つ目は単一のままです。 しかし、3つ目は反応に何らかの役割を果たしました。

科学者たちは、この画期的な発見が新しい時代の始まりであることを期待しています。 この実験は単純な 2 原子分子を​​使って行われましたが、研究者らはさらに大きくて複雑な分子を扱うことを計画しています。

「私たちの理解と量子工学の知識をより複雑な分子にどこまで押し込めるかが、この科学コミュニティにおける主要な研究の方向性です」とチン氏は語った。

この分野では、たとえば量子コンピューターや量子情報処理において分子を量子ビットとして使用することを構想している人もいます。 他の科学者は、対称性の破れなどの宇宙の基本法則をテストするなど、基本法則と相互作用をさらに正確に測定するための入り口としてそれらを研究しています。

Zhendong Zhang (PhD'22、現在スタンフォード大学) と Kai-Xuan Yao (PhD'22、現在 Citadel) もこの論文の共著者でした。