Квантовые эффекты обнаружены при столкновениях водорода и благородных газов

5 июня 2023 г.

Эта статья была проверена в соответствии с редакционным процессом и политикой Science X. Редакторы выделили следующие атрибуты, гарантируя при этом достоверность контента:

проверенный фактами

рецензируемое издание

корректура

Свободного университета Берлина

Исследовательская группа Свободного университета Берлина под руководством профессора квантовой физики Кристианы Кох продемонстрировала, как ведут себя молекулы водорода при столкновении с атомами благородных газов, таких как гелий или неон. В статье, опубликованной в журнале Science, исследователи описывают, как они использовали моделирование, чтобы установить связь между данными экспериментов и теоретическими моделями квантовой физики.

Исследование включает в себя теоретические расчеты, а также данные, собранные в ходе экспериментов с атомами и молекулами, проведенных в Техническом университете Дортмунда и Институте науки Вейцмана в Израиле. Команда смогла показать, что столкновения меняют способ вибрации и вращения молекул в соответствии с законами квантовой механики. Исследования в области квантовой механики продолжают приобретать все большее значение в современном мире. Подобные открытия могут быть применены при разработке мобильных телефонов, телевизоров, спутников и в медицинских диагностических технологиях.

Наблюдаемый здесь квантовый эффект известен как резонанс Фешбаха. «На короткое время после столкновения молекула водорода и атом благородного газа образуют химическую связь, а затем снова разделяются», — объясняет профессор Кох из Свободного университета Берлина.

Однако, несмотря на чрезвычайно подробные измерения и расчеты для сравнительно небольшой и простой системы, исследователи еще далеки от возможности восстановить полные квантово-механические характеристики столкновения водорода и благородного газа. «Это связано с одним из фундаментальных явлений квантовой механики: когда дело доходит до измерений, невозможно обойти основные принципы классической физики. Это создает дилемму: мы можем математически описать некоторые явления квантовой механики в абстрактные термины, но для их полного понимания все равно необходимо использовать концепции классической физики», — объясняет Кох.

Квантовые эффекты — то есть типы поведения, которые невозможно объяснить правилами классической физики — появляются, когда атомы и молекулы больше нельзя в достаточной степени описать с помощью места, которое они занимают, и скорости, с которой они движутся. «Они обладают характеристиками, которые мы связываем с дисперсией волн, такими как интерференция, то есть конструктивное или разрушительное наслоение волн», — говорит Кох. Кроме того, существуют и другие явления, такие как запутанность, которая происходит, когда квантовомеханические объекты оказывают непосредственное влияние друг на друга, несмотря на то, что они пространственно удалены.

Квантовые эффекты обычно возникают в сфере очень маленьких объектов, таких как атомы и молекулы, и когда эти объекты находятся под небольшим влиянием окружающей среды. Последнее достигается за очень короткие промежутки времени или при чрезвычайно низких температурах, близких к абсолютному нулю (-273,15°C). «В этих обстоятельствах этим частицам доступно лишь небольшое количество так называемых квантовых состояний. Система в основном ведет себя упорядоченным образом», — говорит Кох.

Более высокие температуры допускают большее количество квантовых состояний в частицах, а квантово-механические эффекты имеют тенденцию выравниваться, когда они распределяются как среднее статистическое по различным состояниям, и, таким образом, по существу исчезают из поля зрения. В этом состоянии система ведет себя более хаотично и ее можно описать с помощью статистики. До сих пор даже самые холодные столкновения атомов и молекул демонстрировали такое статистически предсказуемое поведение. «Это сделало практически невозможным прийти к каким-либо выводам относительно взаимодействия между атомами и молекулами, а это означает, что мы не смогли установить прямую связь между реальными экспериментальными данными и теоретическими моделями», — объясняет Кох.