Si vous zoomez sur une réaction chimique au niveau quantique, vous remarquerez que les particules se comportent comme des ondes qui peuvent onduler et entrer en collision. Les scientifiques cherchent depuis longtemps à comprendre la cohérence quantique, la capacité des particules à maintenir des relations de phase et à exister simultanément dans plusieurs états; cela revient à synchroniser toutes les parties d’une vague. La question reste ouverte de savoir si la cohérence quantique peut persister grâce à une réaction chimique où les liaisons se brisent et se forment dynamiquement.
Aujourd'hui, pour la première fois, une équipe de scientifiques de Harvard a démontré la survie de la cohérence quantique dans une réaction chimique impliquant des molécules ultra-froides. Ces résultats mettent en évidence le potentiel d'exploitation des réactions chimiques pour de futures applications en science de l'information quantique.
"Je suis extrêmement fier de notre travail sur une propriété très fondamentale d'une réaction chimique dont nous ne savions pas vraiment quel serait le résultat", a déclaré le co-auteur principal Kang-Kuen Ni, professeur de chimie Theodore William Richards et professeur de La physique. "C'était vraiment gratifiant de faire une expérience pour découvrir ce que Mère Nature nous dit."
Dans l'article publié dans Science , les chercheurs détaillent comment ils ont étudié une réaction chimique spécifique d'échange d'atomes dans un environnement ultra-froid impliquant 40 K 87 Molécules bialcalines Rb, où deux molécules de potassium-rubidium (KRb) réagissent pour former du potassium (K2 ) et du rubidium (Rb2 ) produits.
L’équipe a préparé les spins nucléaires initiaux des molécules KRb dans un état intriqué en manipulant des champs magnétiques, puis a examiné les résultats à l’aide d’outils spécialisés. Dans un environnement ultra-froid, le Ni Lab a pu suivre les degrés de liberté du spin nucléaire et observer la dynamique quantique complexe qui sous-tend le processus et le résultat de la réaction.
Le travail a été entrepris par plusieurs membres du Ni's Lab, dont Yi-Xiang Liu, Lingbang Zhu, Jeshurun Luke, J.J. Arfor Houwman, Mark C. Babin et Ming-Guang Hu.
Grâce au refroidissement laser et au piégeage magnétique, l’équipe a pu refroidir ses molécules à seulement une fraction de degré au-dessus du zéro absolu. Dans cet environnement ultrafroid, de seulement 500 nanoKelvin, les molécules ralentissent, permettant aux scientifiques d'isoler, de manipuler et de détecter des états quantiques individuels avec une précision remarquable. Ce contrôle facilite l'observation des effets quantiques tels que la superposition, l'intrication et la cohérence, qui jouent un rôle fondamental dans le comportement des molécules et des réactions chimiques.
En employant des techniques sophistiquées, notamment la détection des coïncidences, qui permet aux chercheurs de détecter les paires exactes de produits de réaction à partir d'événements de réaction individuels, les chercheurs ont pu cartographier et décrire les produits de réaction avec précision. Auparavant, ils avaient observé que la répartition de l’énergie entre les mouvements de rotation et de translation des molécules du produit était chaotique. Par conséquent, il est surprenant de trouver un ordre quantique sous forme de cohérence dans la même dynamique de réaction sous-jacente, cette fois dans le degré de liberté du spin nucléaire.
Les résultats ont révélé que la cohérence quantique était préservée dans le degré de liberté du spin nucléaire tout au long de la réaction. La survie de la cohérence impliquait que les molécules produites, K2 et Rb2 , étaient dans un état intriqué, héritant de l’intrication des réactifs. De plus, en induisant délibérément une décohérence dans les réactifs, les chercheurs ont démontré un contrôle sur la distribution des produits de réaction.
À l'avenir, Ni espère prouver de manière rigoureuse que les molécules du produit étaient intriquées, et elle est optimiste que la cohérence quantique puisse persister dans des environnements non ultrafroids.
"Nous pensons que le résultat est général et ne se limite pas nécessairement aux basses températures et pourrait se produire dans des conditions plus chaudes et plus humides", a déclaré Ni. "Cela signifie qu'il existe un mécanisme de réactions chimiques dont nous ignorions l'existence auparavant."
Lingbang Zhu, premier co-auteur et étudiant diplômé, considère l'expérience comme une opportunité d'élargir la compréhension des réactions chimiques en général.
"Nous étudions des phénomènes qui pourraient se produire dans la nature", a déclaré Zhu. "Nous pouvons essayer d'élargir notre concept à d'autres réactions chimiques. Bien que la structure électronique du KRb puisse être différente, l'idée d'interférence dans les réactions pourrait également être généralisée à d'autres systèmes chimiques."
