撰文：斯蒂芬妮.帕帕斯                  2023年8月11日

量子超化学现象首次被研究人员观测到。（图片：盖蒂图片社）

研究人员首次在实验室观察到“量子超化学”现象。

量子超化学是一种现象，在这种现象中，处于同一量子态的原子或分子的化学反应，比处于不同量子态的分子更快。量子态是量子粒子的一组特性，如自旋（角动量）或能级。

为了观察这种新的超荷电化学，研究人员不仅要诱导原子，还要诱导整个分子进入相同的量子状态。然而，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。涉及的原子越多，意味着原子密度越大，化学反应进行得越快。

领导这项研究的芝加哥大学物理学教授秦成在一份声明中说：“我们所看到的与理论预测一致。20年来，这一直是一个科学目标，所以这是一个非常激动人心的时代。”

研究小组于7月24日在《自然-物理学》杂志上公布了他们的发现。他们观察到铯原子的量子超化学，这些原子配对形成分子。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，他们可以使每个铯原子进入相同的量子态。然后，他们改变了周围的磁场，启动了原子的化学键。

与研究人员在正常非超冷气体中进行实验时相比，这些原子在一起反应更快地形成两个原子的铯分子。由此产生的分子也共享相同的量子态，至少在几毫秒内，之后原子和分子开始衰变，不再一起振荡。

秦说：“通过这种技术，你可以将分子引导到相同的状态。”

研究人员发现，尽管反应的最终结果是两个原子的分子，但实际上有三个原子参与，其中一个备用原子与两个键原子相互作用，从而促进了反应。

这可能有助于量子化学和量子计算的应用，因为处于相同量子态的分子具有相同的物理和化学性质。这些实验是超冷化学领域的一部分，该领域旨在利用这些冷态中发生的量子相互作用，对化学反应进行令人难以置信的详细控制。例如，超冷粒子可以用作量子位，或者量子计算中携带信息的量子位。

秦说，这项研究只使用了简单的分子，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：“我们能把我们对量子工程的理解和知识推向更复杂的分子，这是科学界的一个主要研究方向。”