化學取決於熱量。
原子或分子隨機反彈，碰撞並形成其他分子。在較高的溫度下，原子碰撞更多，原子變成分子的速率增加。低於一定溫度，反應根本不會發生。
但是在最低溫度下發生了非常奇怪的事情。在這種極端的寒冷中，基本上沒有熱能，但是化學反應的發生速度比在高溫下發生的速度快。
該現象稱為量子超級化學。那是終於證明了去年，物理學家首先提出了20多年的歷史。
在該實驗中，芝加哥大學物理學家Cheng Chin同事們將僅幾納米克文的一組剖宮產誘使進入相同的量子狀態。令人驚訝的是，每個原子都沒有單獨相互作用。相反，100,000個原子幾乎瞬間反應。
這個怪異過程的第一次演示為科學家打開了一個窗口，以更好地了解化學反應在奇怪的領域中的運作方式量子力學，它控制著亞原子顆粒的行為。它也可能有助於模擬經典計算機難以準確建模的量子現象，例如超導性。
但是，與研究的許多進步一樣，此後發生的事情很難預測。 Chin沒有一個計劃停止研究這種奇怪的化學形式。
“沒有人知道我們能走多遠，” Chin告訴Live Science。 “可能還需要20年。但是沒有什麼能阻止我們。”
一種新的化學
“超級化學”一詞是在2000年創造將現像比喻為其他奇怪的效果，例如超導性和超流量，當大量粒子處於相同的量子狀態時，它們會出現。
與眾不同超導但是，或超流體的“超級化學”有所不同，因為它仍然幾乎沒有意識到，而這些其他現像已經在實驗中進行了廣泛的研究，”丹尼爾·海因森（Daniel Heinzen），2000年研究的首席作者以及德克薩斯大學奧斯汀分校的物理學家在一封電子郵件中告訴Live Science。
海因岑和同事彼得·德拉蒙德現在是澳大利亞斯威本技術大學的，他正在研究一種特殊的物質狀態Bose-Einstein冷凝物（BEC），其中原子達到其最低能量狀態並進入相同的量子狀態。在這個制度中，原子群開始更像是一個原子。在這個小規模上，粒子不能描述為在給定的位置或狀態。相反，它們具有在任何給定位置或狀態的概率，這是由稱為波函數的數學方程式描述的。
在BEC中，就像Satyendra Nath Bose一樣阿爾伯特·愛因斯坦預測的工作，每個原子的單個波函數成為一個單一的集體波函數。 Heinzen和Drummond意識到，具有相同波函數的一組顆粒類似於激光器 - 一組具有相同波長的光子或光包。與其他光源不同，激光波的峰和槽是對齊的。這使其光子可以長時間保持在緊密的光束上，或者將其分解成短在百萬分之十億秒的短短爆發中。
有關的：激光如何工作？
同樣，海因岑，德拉蒙德和他們的同事在數學上表明，BEC中的原子應以其他原子群不會行為。幾乎沒有熱能的絕對零，量子超級化學意味著BEC中的原子可以迅速和全部轉換為分子：原子A將在閃光燈中鍵結合以形成A2的分子，等等。
Chin說，該過程將類似於相位過渡，例如當液態水凍結到冰中時。而且，由於這些系統的量子怪異性，BEC中凝結的原子越多，反應發生的速度就越快，Heinzen和Drummond的計算預測。
20年的任務
Heinzen和他的研究小組試圖通過實驗證明這種現像已有數年了。但是他們從未發現有令人信服的證據表明這種影響正在發生。海因森說：“然後我們放棄了它。”
儘管海因岑（Heinzen）放棄了展示量子超級化學的追求，但其他人仍在尋找將野性理論變成實驗現實的方法。其中一個是Chin，他幾乎立即開始從事量子超級化學。
Chin是一名博士生，在Heinzen和Drummond的超級化學論文出來時，在寒冷溫度下研究剖宮產原子。 Chin Science告訴Live Science：“由於這項新研究，我的研究完全脫軌了。”他著手在實驗室中實現量子超級化學的20年追求。
這不是一條直的道路，下巴有時會從努力方向進行量子超級化學。但是他從未放棄自己的目標。
他說：“沒有人知道這是否會在發生之前就可以解決。但也沒有人說這不會發生。”
經過十年的緩慢進展，2010年，Chin和他的同事們弄清楚瞭如何將磁場精確調整到BEC上哄騙原子一起製造CS2分子。
Chin說：“這提供瞭如何前進的證據。”
但是，為了顯示量子超級化學，他的團隊仍然需要更好的方法來冷卻和控制超低分子。
沒有人知道這是否會在發生之前就可以解決。但也沒有人說這不會發生。
芝加哥大學鄭
科學家通常使用兩種技術將原子和分子推向超低溫度。首先，激光涼爽的原子到上面的開爾文三分之一絕對零。樣品中的原子從調諧到非常特異的能量的激光器中吸收光子，從而逐漸降低原子的動量和样品的溫度。
接下來，他們使用蒸發冷卻。這些實驗中的原子被激光或磁場捕獲。科學家可以調整陷阱，以使最快（因此是最熱的原子）逃脫。這個過程進一步將原子冷卻到了開爾文的十億分之一，那裡是量子超級化學的。
這是Chin和他的合作者最長的正確合作者的第二步。多年來，他一直使用碗形的陷阱，將原子推在中間，從而提高了樣品的溫度。
六，七年前，他的小組開始使用數字微龍設備來更好地控制陷阱的形狀。結果？平底陷阱，形狀像培養皿一樣，原子可以散佈並保持超低。
大約在2020年，Chin的小組終於做了BEC剖宮產。它們是有史以來最冷的分子，大約是絕對零的十億分。儘管團隊懷疑量子超級化學發生了，但他們沒有證據。
這一證明是三年後出現的。到那時，他們收集了兩個量子超級化學標誌的證據。首先，該反應集體發生，這意味著許多銫原子立即變成了銫分子。其次，它是可逆的，這意味著原子將變成分子，它將變成原子，不斷變成。
對於下巴來說，去年的實驗僅僅是開始。他們使用超級化學產生了兩種原子分子。但是Chin認為三原子分子已經觸及，他很高興看到還有什麼可能。
量子超級化學帶我們去哪裡
就像這樣的基礎研究領域通常一樣，實驗提出了新的理論問題。例如，在Heinzen和Drummond的理論量子超級化學系統中，陷阱中所有原子中有一半以上會轉化為分子，然後再次返回。但是Chin的小組觀察到這種轉換僅發生了20％。 Chin在一封電子郵件中說：“仍然可以理解很多可以提高效率的效率。”
海因岑懷疑在密集氣體中分子之間的碰撞是歸咎於罪魁禍首。碰撞可能會將分子推入不同的量子狀態，從而將它們從凝結分子池中倒出。他和德拉蒙德在理論中沒有考慮到這種可能性。
海因岑說：“即使從一開始就顯然是（碰撞）將是一種負面影響，但是在2000年，我們不知道它會有多大。” “我們只是說，我們無視它，因為我們不知道有多大。”
實驗還表明，三個剖宮產經常參與形成單個CS2分子（並留下一個CS原子），物理學家稱之為三體相互作用。關於量子超級化學的先前預測不包括這種相互作用。
對於下巴來說，這是他需要進行一些新實驗的暗示。如果他的小組可以設計和完美的實驗來探測這些多體相互作用，則可以幫助闡明量子超級化學規則。
儘管有這些開放的問題，但許多科學家將量子超級化學視為一種可以更好地理解化學反應的可能工具。沸騰的燒杯中的原子和分子居住在量子狀態的範圍內，並以多種方式相互作用，使它們變得過於復雜，無法在實驗上進行細節進行細節研究。相反，BEC中的原子和非常簡單的分子處於精確控制的，定義明確的量子狀態。因此，量子超級化學可能是一種非常細節研究反應的一種方式。
“就我們對化學的基本理解而言，這是一個非常有吸引力的政權，”Waseem Bakr普林斯頓大學的物理學家研究了超低原子和分子，他告訴現場科學。
量子超級化學也使科學家感到興奮，因為它提供了對分子量子狀態的精確控制。
這對於量子模擬可能很有用量子計算機。通常，科學家在“經典”系統（例如常規計算機）上模擬量子系統。但是，許多過程，例如高溫超導壓，可以通過由相同量子規則控制的量子系統更好地建模。 Bakr說，量子超級化學將為科學家提供一種在特定量子狀態下產生分子的工具，以實現這些模擬。
海因岑（Heinzen）認為科學家們有很多理由繼續探索他20多年前幫助夢想的現象。雖然這些應用程序目前只不過是夢dream以求的，但歷史表明，基本科學的進步有時會導致令人驚訝的應用程序。
他說：“現在並不明顯。” “但是仍然值得做。”
