研究证明量子简并气体中的多体化学反应！

近年来，物理学家一直试图在量子简并态下实现化学反应的控制，其中粒子的德布罗意波长与粒子之间的间距相当。理论预测表明，在这种情况下，玻色子反应物之间的多体反应将以量子相干性和玻色增强为标志，但这很难通过实验验证。
鉴于此，近期，芝加哥大学Cheng Chin 研究团队最近开始在量子简并状态下观察这些难以捉摸的多体化学反应。他们的论文发表在《自然物理学》上，展示了对玻色凝聚原子和分子之间相干集体反应的观察。
研究概述
分子反应的量子控制是原子和分子物理学领域迅速发展的研究领域，人们探索将冷冻分子应用于精密计量、量子信息和化学反应的量子控制。在这些目标中，量子超化学成为一个重要的科学追求。二十多年前，研究人员预测化学反应可以通过制备反应物和产物在单一量子态下，从而共同增强这些反应的量子力学特性。长期以来，通过量子力学过程来增强化学反应一直是人们的追求目标。这种增强的化学反应被称为“超级反应”，类似于超导性或激光的功能，但是这里使用的是分子而不是电子或光子。
图文导读
Cheng Chin 研究团队，近期主要集中在观察量子简并气体中的多体超反应。为了进行实验，研究团队专门选择了玻色凝聚态铯原子，这是一种具有强正电性和碱性的元素，常用于原子钟和量子技术的开发。
在低温条件下，铯原子表现出化学反应性，能够高效地转化为分子玻色凝聚物。研究人员监测了原子凝聚态分子形成的动力学过程，并观察了原子与分子之间的宏观量子相干性。
实验产生了一系列有趣的观察结果。研究发现凝聚态铯原子中的超级化学反应最初以分子的快速形成为标志。当它们转向平衡时，这些分子以不同的速度振荡。原子密度较高的样品似乎振荡得更快，这暗示着玻色子对反应的增强。
原子和分子玻色-爱因斯坦凝聚的图像
该研究工作展示了量子简并态中化学反应的新指导原则。研究证明所有原子和分子都可以作为一个整体集体反应。这种多体反应有望在不耗散的情况下控制化学反应的推进和逆转，并引导反应途径产生所需的产物。
该研究有助于目前对量子多体化学反应的理解，概述了在量子简并下控制这些反应的可行途径。在他们的论文中，研究人员介绍了一种量子场模型，该模型可以很好地捕获这些反应的关键动力学，从而可以指导该研究领域的未来实验。
参考文献
More information: Zhendong Zhang et al, Many-body chemical reactions in a quantum degenerate gas, Nature Physics (2023). DOI: 10.1038/s41567-023-02139-8.
Journal information: Nature Physics