Вчені сповільнили хімічну реакцію в 100 мільярдів разів. Що з цього вийшло?

Вчені вперше змогли спостерігати звичайну взаємодію у квантовій хімії, використовуючи квантовий комп’ютер для відображення процесу зі швидкістю у 100 мільярдів разів повільнішою за звичайну.

Ця взаємодія, відома як конічний перетин, давно відома, але зазвичай вона завершується за лічені фемтосекунди – квадрильйонні частки секунди – що унеможливлює прямі спостереження.

Дослідницька група з Сіднейського університету в Австралії та Каліфорнійського університету в Сан-Дієго натомість відстежувала реакцію за допомогою зарядженої частинки, захопленої в полі, що дозволило їм простежити за версією процесу, який тривав відносну вічність.

Як сучасна теорія збігається з моделюванням іонної пастки. (Валаху та ін., Nature Chemistry, 2023)

“Використовуючи наш квантовий комп’ютер, ми створили систему, яка дозволила нам уповільнити хімічну динаміку з фемтосекунд до мілісекунд”, – каже Ванесса Олая Агудело з хімічного факультету Сіднейського університету.

“Це дозволило нам зробити значущі спостереження та вимірювання. Цього ніколи не робили раніше”.

Конічні перетини описують швидке перенесення енергії між поверхнями потенційної енергії всередині молекул. Як такі, вони найкраще описуються мовою і математикою квантової фізики, що включає в себе поля, які перекриваються, і мінливі хвилі поведінки частинок.

З хімічної точки зору, квантові реакції керують реакціями на основі світла у всіх видах сценаріїв, таких як фотосинтез і реакції в людському оці.

Це дослідження стало можливим завдяки особливому способу, в який вчені змогли зіставити зміну стану електронів з характеристиками системи за допомогою квантового комп’ютера із захопленими іонами, де електричні поля здійснюють захоплення, а лазери – маніпулювання.

Після того, як цей складний процес був здійснений, команда змогла сповільнити все, щоб його можна було спостерігати. Вчені порівнюють це зі спостереженнями за аеродинамікою крила літака в аеродинамічній трубі.

“Наш експеримент не був цифровим наближенням процесу – це було пряме аналогове спостереження квантової динаміки, що розгортається зі швидкістю, яку ми могли спостерігати”, – говорить Крістоф Валаху з фізичного факультету Сіднейського університету.

Оскільки конічні перетини дуже поширені у фотохімії, нове дослідження буде надзвичайно корисним у багатьох галузях науки. Воно показує, як дослідники з різних галузей науки можуть знайти нові знання, працюючи разом.

Загалом, квантові комп’ютери відкривають широкі можливості для моделювання різноманітних реакцій та взаємодій. Краще розуміння найшвидших і найдрібніших подій означає, що ми маємо краще уявлення про те, як їх використовувати.

“Саме розуміючи ці базові процеси всередині молекул та між ними, ми можемо відкрити новий світ можливостей у матеріалознавстві, розробці ліків чи збиранні сонячної енергії”, – каже Олайя Агудело.

“Це також може допомогти вдосконалити інші процеси, які залежать від взаємодії молекул зі світлом, наприклад, як утворюється смог або як пошкоджується озоновий шар”.

Результати дослідження опубліковані в журналі Nature Chemistry.