研究人员首次在实验室中观察到了“量子超化学”。
量子超化学是一种长期以来被理论化但从未被观察到的现象，在这种现象中，处于相同量子态的原子或分子比处于不同量子态的原子或分子化学反应更快。量子态是量子粒子的特征集合，例如自旋（角动量）或能级。
为了观察这种新的超速化学，研究人员不得不诱导不仅是原子，而是整个分子都进入相同的量子态。当他们这样做时，他们发现化学反应是集体发生的，而不是单独发生的。而且，涉及的原子越多，意味着原子的密度越大，化学反应就越快。
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芝加哥大学物理学教授、领导这项研究的程钦在一份声明中说：“我们所看到的与理论预测相符。这已经是一个20年的科学目标，所以这是一个非常激动人心的时代。”
该团队于7月24日在《自然·物理》杂志上报告了他们的发现。他们观察到铯原子配对形成分子的量子超化学现象。首先，他们将铯气体冷却到接近绝对零度，即所有运动停止的点。在这种冷却状态下，他们可以将每个铯原子引导到相同的量子态。然后，他们改变了周围的磁场，以启动原子的化学键合。
当研究人员在正常的非超冷气体中进行实验时，这些原子更快地反应在一起，形成双原子铯分子。至少在几毫秒内，生成的分子也共享相同的量子态，之后原子和分子开始衰变，不再一起振荡。
程钦说：“有了这项技术，你可以引导分子进入相同的状态。”
研究人员发现，尽管反应的最终结果是双原子分子，但实际上涉及了三个原子，一个备用原子以促进反应的方式与两个键合原子相互作用。
这可能对量子化学和量子计算中的应用很有用，因为处于相同量子态的分子共享物理和化学性质。这些实验是超冷化学领域的一部分，该领域旨在通过利用在这些低温状态下发生的量子相互作用，获得对化学反应的极其精细的控制。例如，超冷粒子可以用作量子比特，或量子计算中携带信息的量子位。
程钦说，这项研究仅使用了简单的分子，因此下一个目标是尝试用更复杂的分子创造量子超化学。
他说：“对于量子工程，我们能够将理解和知识推进到更复杂的分子到什么程度，是这个科学界的主要研究方向。”
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