Des chercheurs conçoivent de nouvelles expériences pour cartographier et tester le mystérieux monde quantique

Kang-Kuen Ni, à droite, et le boursier postdoctoral Matthew A. Nichols fournissent des conseils pratiques dans leur laboratoire. Ni et son équipe utilisent une chimie extrêmement froide pour tester la théorie quantique par rapport à des données expérimentales réelles et créer une carte vérifiable des lois quantiques qui régissent tout sur Terre. Crédit: John Chase / photographe de l’équipe Harvard

Un chirurgien cardiaque n’a pas besoin d’une compréhension de la mécanique quantique pour effectuer des opérations réussies. Même les chimistes n’ont pas toujours besoin de connaître ces principes de base pour étudier les réactions chimiques. Mais pour Kang-Kuen Ni, professeur adjoint de chimie, de biologie chimique et de physique à Morris Kahn, la découverte de grottes quantiques, comme l’exploration spatiale, est une tentative de découvrir un nouveau monde vaste et mystérieux.


Aujourd’hui, une grande partie de la mécanique quantique est expliquée par l’équation de Schrödinger, qui est le genre de théorie majeure qui régit les propriétés de tout sur Terre. “Bien que nous sachions, en principe, Mécanique quantique Nie a dit qu’il a tout gouverné, “c’est difficile à voir et compter est presque impossible.”

Avec quelques hypothèses justifiables et des techniques innovantes, Lenny et son équipe peuvent réaliser l’impossible. Dans leur laboratoire, ils ont testé les théories quantiques actuelles sur interaction chimique Contre des données expérimentales réelles, vous vous rapprochez d’une carte vérifiable des lois régissant le mystérieux royaume quantique. Et maintenant, avec une chimie extrêmement froide – dans laquelle les atomes et les molécules sont refroidis à des températures juste au-dessus du zéro absolu où ils deviennent hautement contrôlés – Ni et les membres de son laboratoire ont rassemblé des données expérimentales réelles à partir de frontières quantiques inexplorées auparavant, fournissant des preuves solides est devenu le modèle théorique, vrai (et faux), et une feuille de route pour une exploration plus approfondie des prochaines couches mystérieuses de l’espace quantique.

“Nous connaissons les lois fondamentales qui régissent tout”, a déclaré Ni. “Mais puisque presque tout sur Terre est composé d’au moins trois atomes ou plus, ces lois deviennent rapidement trop complexes à résoudre.”

Dans leur étude, il a été rapporté sur nature, Ni et son équipe ont entrepris de définir tous les résultats possibles de l’état énergétique, du début à la fin, d’une interaction entre deux molécules de potassium et de rubidium – une réaction plus complexe que précédemment étudiée dans le domaine quantique. Ce n’est pas facile: à son niveau le plus élémentaire, l’interaction de quatre molécules a un nombre énorme de dimensions (par exemple, les électrons en orbite autour de chaque atome peuvent être dans un nombre infini de sites simultanément). Ces dimensions très élevées rendent impossible le calcul de toutes les voies d’interaction possibles avec la technologie actuelle.

“Calculer exactement comment l’énergie est redistribuée lors d’une interaction entre quatre atomes est hors de la puissance des meilleurs ordinateurs actuels”, a déclaré Ni. Un ordinateur quantique pourrait un jour être le seul outil capable d’accomplir des calculs aussi complexes.

En attendant, calculer l’impossible nécessite quelques hypothèses et estimations bien raisonnées (choix d’un emplacement pour l’un de ces électrons, par exemple) et des techniques spécialisées qui donnent à Ni et à son équipe un contrôle absolu sur leur interaction.

L’une de ces technologies était une autre découverte récente du laboratoire Ni: dans une étude publiée dans nature chimie, Elle et son équipe ont profité d’une caractéristique fiable des molécules – leur spin nucléaire très stable – pour contrôler l’état quantique des particules en interaction jusqu’aux produits. Ils ont également découvert un moyen de repérer les produits d’un seul événement de réaction de collision, un exploit délicat lorsque 10 000 molécules interagissent simultanément. En utilisant ces deux nouvelles méthodes, l’équipe peut déterminer le spectre unique et l’état quantique de chaque molécule de produit, le type de contrôle précis nécessaire pour mesurer les 57 voies que la réaction au rubidium potassium peut emprunter.

Au cours de plusieurs mois pendant la pandémie COVID-19, l’équipe a mené des expériences pour collecter des données sur chacun des 57 canaux potentiels d’interaction, et a répété chaque canal une fois par minute pendant plusieurs jours avant de passer à l’étape suivante. Heureusement, une fois l’expérience mise en place, elle peut être menée à distance: les membres du laboratoire peuvent rester à la maison, tout en gardant le laboratoire re-fonctionnel selon les normes COVID-19, pendant que le système est opérationnel.

Matthew Nichols, chercheur postdoctoral au Ni Lab et auteur des deux articles, a déclaré: «Le test» indique un bon accord entre la mesure et la modélisation pour un sous-ensemble de 50 états pairs, mais révèle des écarts significatifs dans plusieurs paires d’états. “

En d’autres termes, leurs données expérimentales ont confirmé que les prédictions antérieures basées sur la théorie statistique (qui est beaucoup moins complexe que l’équation de Schrödinger) sont souvent exactes. En utilisant leurs données, l’équipe peut mesurer la probabilité que leur réaction chimique prenne le dessus sur chacun des 57 canaux de réaction. Ensuite, ils ont comparé leurs ratios au modèle statistique. Seuls sept sur 57 présentaient des différences suffisamment importantes pour contester la théorie.

“Nous avons des données qui repoussent ces limites”, a déclaré Ni. “Pour expliquer les sept canaux asymétriques, nous devons calculer l’équation de Schrödinger, ce qui est encore impossible. Maintenant, la théorie doit rattraper son retard et proposer de nouvelles façons d’effectuer efficacement des calculs quantiques aussi précis.”

Ensuite, Ni et son équipe prévoient de réduire leur expérience et d’analyser une interaction entre seulement trois atomes (une molécule et un). En théorie, cette réaction, qui a beaucoup moins de dimensions qu’une interaction tétraèdre, devrait être plus facile à calculer et à étudier dans le monde quantique. Cependant, l’équipe a déjà découvert quelque chose d’étrange: la phase intermédiaire de la réaction dure plusieurs fois en volume plus longtemps que la théorie ne le prédit.

“Il y a vraiment un mystère”, a déclaré Ni. “C’est aux théoriciens maintenant.”


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Plus d’information:
Test de précision pour la dynamique statistique avec une chimie extrêmement froide d’un état à un autre, nature (2021). DOI: 10.1038 / s41586-021-03459-6

Introduction de
Université de Harvard

la citation: Des chercheurs conçoivent de nouvelles expériences pour cartographier et tester le mystérieux royaume quantique (2021, 19 mai), récupéré le 19 mai 2021 sur https://phys.org/news/2021-05-mysterious-quantum-realm.html

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