En hjärtkirurg behöver inte förstå kvantmekaniken för att utföra framgångsrika operationer. Även kemister behöver inte alltid känna till dessa grundläggande principer för att studera kemiska reaktioner. Men för Kang-Kuen Ni, Morris Kahn docent i kemi och kemisk biologi och i fysik, quantum spelunking är, som utforskning av rymden, en strävan att upptäcka ett stort och mystiskt nytt rike.

I dag, mycket av kvantmekaniken förklaras av Schrödingers ekvation, en sorts mästerteori som styr egenskaperna hos allting på jorden. "Även om vi vet att i princip, kvantmekaniken styr allt, " Ni sa, "att faktiskt se det är svårt och att faktiskt beräkna det är nästan omöjligt."

Med några välmotiverade antaganden och några innovativa tekniker, Ni och hennes team kan uppnå det nästan omöjliga. I deras labb, de testar aktuella kvantteorier om kemiska reaktioner mot faktiska experimentella data för att komma närmare en verifierbar karta över lagarna som styr det mystiska kvantriket. Och nu, med ultrakall kemi – där atomer och molekyler kyls till temperaturer strax över absolut noll där de blir mycket kontrollerbara – har Ni och hennes labbmedlemmar samlat in verkliga experimentella data från en tidigare outforskad kvantgräns, ger starka bevis på vad den teoretiska modellen fick rätt (och fel), och en färdplan för ytterligare utforskning av nästa skuggiga lager av kvantrymden.

"Vi känner till de underliggande lagarna som styr allt, " sa Ni. "Men eftersom nästan allt på jorden är gjort av minst tre eller fler atomer, dessa lagar blir snabbt alldeles för komplexa för att lösa."

I deras studie rapporterade i Natur , Ni och hennes team satte sig för att identifiera alla möjliga energitillståndsresultat, Från början till slut, av en reaktion mellan två kalium- och rubidiummolekyler - en mer komplex reaktion än vad som tidigare studerats i kvantvärlden. Det är ingen lätt bedrift:på sin mest grundläggande nivå, en reaktion mellan fyra molekyler har ett enormt antal dimensioner (elektronerna som snurrar runt varje atom, till exempel, kan finnas på ett nästan oändligt antal platser samtidigt). Den mycket höga dimensionaliteten gör det omöjligt att beräkna alla möjliga reaktionsbanor med nuvarande teknologi.

"Att beräkna exakt hur energi omfördelas under en reaktion mellan fyra atomer är bortom kraften hos dagens bästa datorer, " sa Ni. En kvantdator kan vara det enda verktyget som en dag skulle kunna åstadkomma en så komplex beräkning.

Sålänge, att beräkna det omöjliga kräver några välmotiverade antaganden och approximationer (att välja en plats för en av dessa elektroner, till exempel) och specialiserade tekniker som ger Ni och hennes team ultimat kontroll över sin reaktion.

En sådan teknik var en annan ny upptäckt av Ni-labb:I en studie publicerad i Natur Kemi , hon och hennes team utnyttjade en pålitlig egenskap hos molekyler – deras mycket stabila kärnspinn – för att kontrollera kvanttillståndet hos de reagerande molekylerna hela vägen fram till produkterna. De upptäckte också ett sätt att upptäcka produkter från en enda kollisionsreaktion, en svår bedrift när 10, 000 molekyler kan reagera samtidigt. Med dessa två nya metoder, teamet kunde identifiera det unika spektrumet och kvanttillståndet för varje produktmolekyl, den typ av exakt kontroll som krävs för att mäta alla 57 vägar som deras kaliumrubidiumreaktion kunde ta.

Under flera månader under covid-19-pandemin, teamet körde experiment för att samla in data om var och en av dessa 57 möjliga reaktionskanaler, upprepa varje kanal en gång varje minut i flera dagar innan du går vidare till nästa. Lyckligtvis, när experimentet är inrättat, det kan köras på distans:labbmedlemmar kan stanna hemma, hålla labbet återinflyttat enligt covid-19-standarder, medan systemet körde på.

"Testet, sa Matthew Nichols, en postdoktor i Ni-labbet och en författare på båda artiklarna, "indikerar på god överensstämmelse mellan mätningen och modellen för en delmängd som innehåller 50 tillståndspar men avslöjar betydande avvikelser i flera tillståndspar."

Med andra ord, deras experimentella data bekräftade att tidigare förutsägelser baserade på statistisk teori (en mycket mindre komplex än Schrödingers ekvation) är korrekta - mestadels. Med hjälp av deras data, teamet kunde mäta sannolikheten att deras kemiska reaktion skulle ta var och en av de 57 reaktionskanalerna. Sedan, de jämförde sina procentsatser med den statistiska modellen. Endast sju av de 57 visade tillräckligt stor skillnad för att utmana teorin.

"Vi har data som tänjer på den här gränsen, " sa Ni. "För att förklara de sju avvikande kanalerna, vi måste beräkna Schrödingers ekvation, vilket fortfarande är omöjligt. Så nu, teorin måste komma ikapp och föreslå nya sätt att effektivt utföra sådana exakta kvantberäkningar."

Nästa, Ni och hennes team planerar att skala tillbaka sitt experiment och analysera en reaktion mellan endast tre atomer (en molekyl och en atom). I teorin, denna reaktion, som har mycket färre dimensioner än en fyraatomsreaktion, borde vara lättare att beräkna och studera i kvantvärlden. Och ändå, redan, teamet upptäckte något konstigt:mellanfasen av reaktionen lever i många storleksordningar längre än vad teorin förutspår.

"Det finns redan mysterium, "Sa Ni." Det är upp till teoretikerna nu. "