シカゴ大学の科学者たちが、”量子超化学 (Quantum Superchemistry) “と呼ばれる現象の最初の証拠を発見した。これは、反応中の原子や分子がすべて同じ量子状態にある特殊な化学反応であり、化学反応をスピードアップし、科学者に化学反応の制御を可能にし、量子コンピューティングに革命をもたらす可能性がある。この現象には理論的な裏付けがあったが、その実現可能性を証明することはこれまで困難だった。
量子スケールでは、あらゆる種類の不気味な振る舞いが現れる。原子は一度に複数の状態で存在することができ、もつれ合うことで、どんな距離でも瞬時に情報を共有することができる。科学者たちは、より強力なコンピューティングや通信システム、その他のテクノロジーのために、これらの現象を利用しようとしている。
研究チームは、いわゆる物質の第5の状態であるボース＝アインシュタイン凝縮状態の原子や分子を使った。十分に低い温度では、このような状態の粒子は合体して一つの量子力学的な実体となる。通常の化学反応では、単一の原子や分子が相互作用して新しい結合を作る。しかし、粒子がすべて同じ量子状態にある場合、反応の起こり方はまったく異なる。
古典化学では、混合物中の原子はランダムに衝突し、衝突のたびに原子が結びついて分子を形成する可能性がある。しかし、原子がすべて同じ量子状態にある場合、原子は一緒に行動するようになる。
「化学反応を、もはや独立した粒子同士の衝突としてではなく、集合的なプロセスとして扱うことになります。つまり、すべての粒子が、全体として一緒に反応しているのです」と、この研究を行ったシカゴ大学のCheng Chin教授は声明の中で述べている。
ボース＝アインシュタイン凝縮の量子力学的特性のおかげで、個々の粒子に依存しないため、反応はより速く起こる。実際、システム内の粒子が多ければ多いほど、反応は速くなるのだ。
実験では、研究者たちはセシウム原子を必要な極限温度まで冷却し、同じ量子状態へと誘導した。研究チームは、反応が始まるとすぐに分子が急速に形成されるのを観察した。続いて、平衡過程で振動が起こった。生成分子はすべて同じ状態にある。密度が高いサンプルでは、より速い振動が観測された。これはボソニック増強の予想された結果である。
このプロセスには、通常の化学とは異なるいくつかの結果がある。ひとつは、原子がすべて一緒に作用するため、反応が非常に速く起こることである。最終的に生成される分子はすべて同じ状態を共有するため、従来の化学よりも確実に同一の分子を大量に作ることができる。
研究チームはまた、この過程で奇妙な現象の証拠を発見した。基本的に、3つの原子が衝突し、2つの原子が結びついて分子を形成し、3つ目の原子が何らかの形でそのプロセスを助けるのである。
このブレークスルーは、量子化学、量子コンピューター、そして科学者が物理法則を研究するための新しい技術への道を開く助けとなるだろう。これまでのところ、この超化学は2原子分子に対してのみ行われているが、研究チームは、より複雑な分子を含むように研究を拡大する予定である。
「われわれが見たものは、理論予測と一致していました。これは20年来の科学的目標でしたから、非常にエキサイティングな時代です」と、Chin教授は述べている。
論文
- Nature Phisics: Many-body chemical reactions in a quantum degenerate gas
参考文献
- University of Chicago: UChicago scientists observe first evidence of ‘quantum superchemistry’ in the laboratory
- via Phys.org: Scientists observe first evidence of ‘quantum superchemistry’ in the laboratory
研究の要旨
量子縮退領域における化学反応は、物質-波動場の混合によって記述される。結合原子・分子ボース＝アインシュタイン凝縮のような、ボソニックの反応物と生成物を含む多体反応では、量子コヒーレンスとボソニック増強が反応ダイナミクスの重要な特徴である。しかし、このような多体現象は「スーパーケミストリー」とも呼ばれ、その観測はこれまで困難であった。今回我々は、フェシュバッハ共鳴近傍におけるボーズ凝縮原子・分子間のコヒーレントかつ集団的な反応性結合の観測に成功した。原子凝縮体から出発して、反応は分子の急速な生成から始まり、平衡化過程における分子集団の振動がそれに続く。高密度の試料ではより速い振動が観測され、ボソニックの増強が示唆された。われわれは、このダイナミクスをよく捉えた量子場モデルを提示し、三体再結合が支配的な反応過程であることを明らかにした。この結果は、量子多体化学の理解を深め、量子縮退における化学反応の制御に関する洞察を与えるものである。