Om du zoomar in på en kemisk reaktion till kvantnivån kommer du att märka att partiklar beter sig som vågor som kan skvalpa och kollidera. Forskare har länge försökt förstå kvantkoherens, partiklars förmåga att upprätthålla fasförhållanden och existera i flera tillstånd samtidigt; detta liknar alla delar av en våg som synkroniseras. Det har varit en öppen fråga om kvantkoherens kan bestå genom en kemisk reaktion där bindningar bryts dynamiskt och bildas.

Nu, för första gången, har ett team av Harvard-forskare visat överlevnaden av kvantkoherens i en kemisk reaktion som involverar ultrakalla molekyler. Dessa fynd belyser potentialen i att utnyttja kemiska reaktioner för framtida tillämpningar inom kvantinformationsvetenskap.

"Jag är oerhört stolt över vårt arbete med att undersöka en mycket grundläggande egenskap hos en kemisk reaktion där vi verkligen inte visste vad resultatet skulle bli", säger senior medförfattare Kang-Kuen Ni, Theodore William Richards professor i kemi och professor i Fysik. "Det var verkligen glädjande att göra ett experiment för att ta reda på vad Moder Natur säger till oss."

I tidningen, publicerad i Science , beskriver forskarna hur de studerade en specifik kemisk atomutbytesreaktion i en ultrakall miljö som involverade ⁴⁰ K ⁸⁷ Rb bialkali-molekyler, där två kalium-rubidium (KRb)-molekyler reagerar för att bilda kalium (K₂ ) och rubidium (Rb₂ ) produkter.

Teamet förberedde de första kärnsnurren i KRb-molekyler i ett intrasslat tillstånd genom att manipulera magnetfält och undersökte sedan resultatet med specialiserade verktyg. I den ultrakalla miljön kunde Ni Lab spåra frihetsgraderna för kärnspinn och observera den invecklade kvantdynamiken som ligger bakom reaktionsprocessen och resultatet.

Arbetet utfördes av flera medlemmar av Ni's Lab, inklusive Yi-Xiang Liu, Lingbang Zhu, Jeshurun ​​Luke, J.J. Arfor Houwman, Mark C. Babin och Ming-Guang Hu.

Med hjälp av laserkylning och magnetisk fångst kunde teamet kyla sina molekyler till bara en bråkdel av en grad över absolut noll. I denna ultrakalla miljö, på bara 500 nanoKelvin, saktar molekylerna ner, vilket gör det möjligt för forskare att isolera, manipulera och upptäcka individuella kvanttillstånd med anmärkningsvärd precision. Denna kontroll underlättar observationen av kvanteffekter som superposition, intrassling och koherens, som spelar grundläggande roller i molekylernas beteende och kemiska reaktioner.

Genom att använda sofistikerade tekniker, inklusive slumpdetektering där forskarna kan plocka ut de exakta paren av reaktionsprodukter från individuella reaktionshändelser, kunde forskarna kartlägga och beskriva reaktionsprodukterna med precision. Tidigare observerade de att uppdelningen av energi mellan produktmolekylernas rotations- och translationsrörelse var kaotisk. Därför är det överraskande att finna kvantordning i form av koherens i samma underliggande reaktionsdynamik, denna gång i kärnspinnets frihetsgrad.

Resultaten avslöjade att kvantkoherens bevarades inom kärnspinningsgraden av frihet under hela reaktionen. Överlevnaden av koherens innebar att produktmolekylerna, K₂ och Rb₂ var i ett intrasslat tillstånd och ärvde intrasslingen från reaktanterna. Dessutom, genom att medvetet inducera dekoherens i reaktanterna, visade forskarna kontroll över reaktionsproduktens distribution.

Framöver hoppas Ni att rigoröst kunna bevisa att produktmolekylerna var intrasslade, och hon är optimistisk att kvantkoherens kan bestå i icke-ultrakalla miljöer.

"Vi tror att resultatet är generellt och inte nödvändigtvis begränsat till låga temperaturer och kan hända i mer varma och våta förhållanden," sa Ni. "Det betyder att det finns en mekanism för kemiska reaktioner som vi bara inte visste om tidigare."

Förste medförfattare och doktorand Lingbang Zhu ser experimentet som en möjlighet att utöka människors förståelse om kemiska reaktioner i allmänhet.

"Vi undersöker fenomen som möjligen förekommer i naturen," sa Zhu. "Vi kan försöka bredda vårt koncept till andra kemiska reaktioner. Även om den elektroniska strukturen hos KRb kan vara annorlunda, kan idén om interferens i reaktioner generaliseras till andra kemiska system också."