نوع جديد من العمليات الكيميائية يُنفذ عند درجات حرارة منخفضة جدًا على جسيمات صغيرة جدًا يمكنه تمكين تفاعلات سريعة ودقيقة. ولأول مرة، لاحظ الباحثون الكيمياء الكمومية الفائقة في المختبر.
على الرغم من أنها قد صُوّرت نظريًا من قبل، فإنها لم تُرَ قط، الكيمياء الكمومية الفائقة هي ظاهرة تحدث عندما تتفاعل ذرات أو جزيئات في نفس الحالة الكمومية الكمية بطريقة أسرع من الذرات أو الجزيئات التي تكون في حالات كمومية مختلفة. الحالة الكمومية هي مجموعة من الخصائص لجسيم كمومي، مثل الدوران (الزخم الزاوي) أو مستوى الطاقة.
لمراقبة الكيمياء الكمومية الفائقة الجديدة عالية الشحنة، اضطر الباحثون لجعل الذرات وحتى الجزيئات بأكملها بالدخول في نفس الحالة الكمومية. عندما فعلوا ذلك، لاحظوا أن التفاعلات الكيميائية حدثت جماعيًا. وكلما شملت التفاعلات مزيدًا من الذرات، أي زادت كثافة الذرات، زادت سرعة التفاعلات الكيميائية.
قال تشنغ تشين، أستاذ الفيزياء في جامعة شيكاغو الذي قاد البحث: «ما رأيناه يتطابق مع التنبؤات النظرية. لقد كان هذا هدفًا علميًا مدة 20 عامًا، لذلك فهي حقبة مثيرة جدًا».
نشر الفريق نتائج أبحاثهم في 24 يوليو في مجلة نيتشر فيزيكس.
لوحظت الكيمياء الكمومية الفائقة في ذرات السيزيوم التي ارتبطت لتشكيل جزيئات. أولًا، عملوا على تبريد غاز السيزيوم إلى ما يقارب الصفر المطلق، النقطة التي تتوقف فيها الحركة. في هذه الحالة، يمكنهم تسهيل دخول كل ذرة سيزيوم في نفس الحالة الكمومية. ثم غيروا المجال المغناطيسي المحيط لبدء تكوين روابط كيميائية بين الذرات.
لوحظ أن هذه الذرات تفاعلت أسرع معًا لتشكيل جزيئات السيزيوم المكونة من ذرتي سيزيوم من العملية التي أجروها في غاز عادي غير مبرد. الجزيئات الناتجة كانت تشترك أيضًا في نفس الحالة الكمومية، على الأقل على مدى عدة أجزاء من الألف من الثانية، بعد ذلك تبدأ الذرات والجزيئات في التحلل ولا تتذبذب معًا بعد ذلك.
قال تشين: «بهذه التقنية، يمكن توجيه الجزيئات إلى حالة متطابقة».
لقد وجد الباحثون أنه على الرغم من أن النتيجة النهائية للتفاعل كانت جزئيًا ذا ذرتين، فإنه في الواقع كانت هناك ثلاث ذرات معنية، إذ تفاعلت ذرة احتياطية مع الذرتين المترابطتين بطريقة سهلت التفاعل.
قد يكون ذلك مفيدًا لتطبيقات في مجالات الكيمياء الكمومية والحوسبة الكمومية، إذ تشترك الجزيئات في نفس الحالة الكمومية في الخصائص الفيزيائية والكيميائية.
تندرج هذه التجارب ضمن مجال الكيمياء فائقة البرودة، الذي يهدف إلى الحصول على تحكم مفصل في التفاعلات الكيميائية بواسطة استغلال التفاعلات الكمومية التي تحدث في هذه الحالات الباردة. يمكن استخدام الجسيمات فائقة البرودة وحدات كيوبت (qubits)، أي البت الكمومي quantum bits الذي يحمل المعلومات في الحوسبة الكمومية، على سبيل المثال.
لقد استخدمت الدراسة جزيئات بسيطة فقط، لذلك هدفها التالي هو محاولة إنشاء كيمياء كمومية فائقة مع جزيئات أكثر تعقيدًا، بحسب تصريح تشن، إذ قال: «إلى أي مدى يمكننا دفع فهمنا ومعرفتنا بالهندسة الكمومية، نحو جزيئات أكثر تعقيدًا، هو اتجاه بحث رئيسي في هذا المجتمع العلمي».
اقرأ أيضًا:
الحوسبة الكمومية في طريقها نحو تغيير العالم
ترجمة: حمداش رانية
تدقيق: حسام التهامي
