L’Université de Chicago a dévoilé des preuves révolutionnaires de la « superchimie quantique », où des particules dans le même état quantique agissent collectivement. Les découvertes pourraient conduire à des progrès dans l’informatique quantique et offrir un aperçu plus approfondi des lois fondamentales de l’univers.
Une percée pourrait ouvrir la voie à des connaissances fondamentales et à de nouvelles technologies.
Une équipe de la Université de Chicago a dévoilé la première preuve de la « superchimie quantique » – un phénomène où des particules dans le même état quantique subissent collectivement des réactions accélérées. Bien qu’antérieurement prédit, cet effet n’avait jamais été observé en laboratoire auparavant.
Les conclusions, publiées dans Physique naturelle le 24 juillet, ouvrir la porte à un nouveau champ. Les scientifiques s’intéressent de près à ce que l’on appelle les réactions chimiques « améliorées quantiques », qui pourraient avoir des applications en chimie quantique, l’informatique quantiqueet d’autres technologies, ainsi qu’à mieux comprendre les lois de l’univers.
« Ce que nous avons vu correspond aux prédictions théoriques », a déclaré Cheng Chin, professeur de physique et membre de l’Institut James Franck et de l’Institut Enrico Fermi, dont le laboratoire a mené la recherche. « C’est un objectif scientifique depuis 20 ans, c’est donc une époque très excitante. »
Les scientifiques ont annoncé la première preuve de la « superchimie quantique » – un phénomène où des particules dans le même état quantique subissent des réactions accélérées collectives. Ci-dessus, les co-auteurs de l’étude Zhendong Zhang (à gauche) et le professeur Cheng Chin dans le laboratoire. 1 crédit
Amélioration Bose : le processus
Le laboratoire de Chin est spécialisé dans le travail avec des particules maintenues à des températures très, très basses. Près zéro absolules particules peuvent se lier afin qu’elles soient toutes dans le même état quantique, où elles peuvent afficher des capacités et des comportements inhabituels.
Il avait été théorisé qu’un groupe d’atomes et de molécules dans le même état quantique se comporterait différemment lors de réactions chimiques, mais la difficulté à orchestrer l’expérience signifiait qu’elle n’avait jamais été observée.
Le groupe de Chin a l’habitude de regrouper les atomes dans des états quantiques, mais les molécules sont plus grosses et beaucoup plus complexes que les atomes. Le groupe a donc dû inventer de nouvelles techniques pour les embrouiller.
« Jusqu’où nous pouvons pousser notre compréhension et nos connaissances de l’ingénierie quantique, dans des molécules plus complexes, est une direction de recherche majeure dans cette communauté scientifique. »
– Cheng Chin, professeur de physique
Dans les expériences, les scientifiques ont refroidi des atomes de césium et les ont amenés dans le même état quantique. Ensuite, ils ont observé que les atomes réagissaient pour former des molécules.
Dans la chimie ordinaire, les atomes individuels entreraient en collision, et il y a une probabilité pour que chaque collision forme une molécule. Cependant, la mécanique quantique prédit que les atomes dans un état quantique effectuent des actions collectivement à la place.
Implications et conséquences
« Vous ne traitez plus une réaction chimique comme une collision entre des particules indépendantes, mais comme un processus collectif », a expliqué Chin. « Tous réagissent ensemble, dans leur ensemble. »
Une conséquence est que la réaction se produit plus rapidement qu’elle ne le ferait dans des conditions ordinaires. En fait, plus il y a d’atomes dans le système, plus la réaction est rapide.
Une autre conséquence est que les molécules finales partagent le même état moléculaire. Chin a expliqué que les mêmes molécules dans différents états peuvent avoir des propriétés physiques et chimiques différentes, mais il y a des moments où vous voulez créer un lot de molécules dans un état spécifique. En chimie traditionnelle, vous lancez les dés. « Mais avec cette technique, vous pouvez orienter les molécules dans un état identique », a-t-il déclaré.
Shu Nagata, un étudiant diplômé et co-auteur de l’article, a ajouté qu’ils avaient vu des preuves que la réaction se produisait plus souvent sous la forme d’une interaction à trois corps que sous la forme d’une interaction à deux corps. C’est-à-dire que trois atomes entreraient en collision; deux formeraient une molécule, et le troisième resterait unique. Mais le troisième a joué un certain rôle dans la réaction.
Possibilités technologiques
Cette percée marque le début d’une nouvelle ère. Bien que l’expérience ait utilisé deux simplesatome molécules, il est prévu de travailler avec des molécules plus grosses et plus complexes.
« Jusqu’où nous pouvons pousser notre compréhension et nos connaissances de l’ingénierie quantique, dans des molécules plus compliquées, est une direction de recherche majeure dans cette communauté scientifique », a déclaré Chin.
Certains dans le domaine ont envisagé d’utiliser des molécules comme qubits dans des ordinateurs quantiques ou dans le traitement de l’information quantique, par exemple. D’autres scientifiques les explorent comme des passerelles vers des mesures encore plus précises des lois fondamentales et des interactions, telles que le test des lois fondamentales de l’univers comme la violation de la symétrie.
Zhendong Zhang (PhD’22, maintenant à l’Université de Stanford) et Kai-Xuan Yao (PhD’22, maintenant à Citadel) étaient également co-auteurs de l’article.
Financement : National Science Foundation, Air Force Office of Scientific Research, Grainger Graduate Fellowship, Takenaka Scholarship Foundation.
