"Quantum-Superchemie" erstmals in Laborversuchen beobachtet
Untersuchungen auf Quantenebene zeigen vielfältige rätselhafte Verhaltensweisen. Atome können in mehreren Zuständen gleichzeitig existieren, so verwickelt sein, dass sie Informationen sofort über beliebige Entfernungen teilen, oder durch Barrieren tunneln, die sie eigentlich nicht durchqueren können. Wissenschaftler versuchen, diese Phänomene für leistungsfähigere Computing-, Kommunikationssysteme und andere Technologien zu nutzen.
Nun hat ein Forscherteam den ersten direkten Beweis für einen zuvor vorhergesagten Quanteneffekt namens Superchemie gefunden. Es beginnt mit einem seltsamen Materiezustand, einem sogenannten Bose-Einstein-Kondensat, bei dem eine Atomwolke fast auf den absoluten Nullpunkt abgekühlt wird. Dies führt dazu, dass sie denselben Quantenzustand einnehmen und sich wie ein großes Atom verhalten. Es wurde vorgeschlagen, dass das Einbringen von Atomen in diesem Zustand in chemische Reaktionen zu anderen Ergebnissen führen würde als üblich.
In der klassischen Chemie kollidieren Atome in einer Mischung zufällig und es besteht bei jeder Kollision die Chance, dass sie sich zu einem Molekül verbinden. Wenn sich jedoch alle Atome im selben Quantenzustand befinden, führen sie Aktionen stattdessen gemeinsam aus.
"Man behandelt eine chemische Reaktion nicht mehr als Zusammenstoß zwischen unabhängigen Partikeln, sondern als kollektiven Prozess", sagte Cheng Chin, Leiter der Studie. "Alle reagieren zusammen, als Ganzes."
Für ihre Experimente kühlten die Forscher Cäsiumatome auf die extrem erforderlichen Temperaturen herunter und brachten sie dann in denselben Quantenzustand. Und tatsächlich schienen die Atome Moleküle in einer Art und Weise zu bilden, die der Superchemie glich.
Dieser Vorgang hat einige Folgen, die ihn von der normalen Chemie unterscheiden. Zum einen geschehen die Reaktionen aufgrund der gemeinsamen Handlung der Atome viel schneller - und es wird noch schneller, je mehr Atome im System vorhanden sind. Die schließlich produzierten Moleküle teilen alle denselben Zustand, was für die Schaffung großer Mengen identischer Moleküle zuverlässiger ist als bei der traditionellen Chemie.
Das Team stellte auch Beweise für ein seltsames Phänomen während des Prozesses fest - Dreikörper-Interaktionen fanden häufiger statt als Zwei-Körper-Interaktionen. Im Wesentlichen würden drei Atome kollidieren, wobei zwei sich zu einem Molekül verbinden und das dritte irgendwie den Prozess unterstützen.
Dieser Durchbruch könnte den Weg für neue Technologien in der Quantenchemie, Quantencomputing und beim Studium der Physikgesetze ebnen. Bisher wurde diese Superchemie nur mit Zwei-Atom-Molekülen durchgeführt, aber das Team plant, die Arbeit auf komplexere Moleküle auszuweiten.
"Was wir gesehen haben, stimmte mit den theoretischen Vorhersagen überein", sagte Chin. "Dies war seit 20 Jahren ein wissenschaftliches Ziel, daher ist es eine sehr aufregende Ära."