시카고대 과학자들이 실험실에서 '양자 초화학'의 첫 번째 증거를 관찰했습니다.

루이스 러너

2023년 8월 4일

시카고 대학의 한 팀은 동일한 양자 상태의 입자가 집단 가속 반응을 겪는 현상인 "양자 초화학"에 대한 최초의 증거를 발표했습니다. 그 효과는 예측되었으나 실험실에서는 관찰되지 않았습니다.

7월 24일 Nature Physics에 발표된 이번 연구 결과는 새로운 분야의 문을 열었습니다. 과학자들은 양자 화학, 양자 컴퓨팅 및 기타 기술에 응용할 수 있을 뿐만 아니라 우주의 법칙을 더 잘 이해하는 데 사용될 수 있는 "양자 강화" 화학 반응으로 알려진 것에 깊은 관심을 갖고 있습니다.

"우리가 본 것은 이론적 예측과 일치합니다"라고 물리학 교수이자 James Franck 연구소와 연구를 수행한 Enrico Fermi 연구소의 회원인 Cheng Chin이 말했습니다. "이것은 20년 동안 과학적 목표였기 때문에 매우 흥미로운 시대입니다."

Chin의 연구실은 매우 낮은 온도에서 유지되는 입자를 다루는 작업을 전문으로 합니다. 절대 영도 근처에서 입자는 모두 동일한 양자 상태에 있도록 연결될 수 있으며, 여기서 특이한 능력과 행동을 나타낼 수 있습니다.

동일한 양자 상태에 있는 원자와 분자 그룹이 화학 반응 중에 다르게 행동할 것이라는 이론이 세워졌지만, 실험을 조율하기가 어려워서 한 번도 관찰된 적이 없었습니다.

Chin의 그룹은 원자를 양자 상태로 모으는 경험이 있지만 분자는 원자보다 더 크고 훨씬 더 복잡하므로 그룹은 분자를 뒤섞기 위한 새로운 기술을 발명해야 했습니다.

실험에서 과학자들은 세슘 원자를 냉각시켜 동일한 양자 상태로 만들었습니다. 다음으로, 그들은 원자가 반응하여 분자를 형성하는 것을 관찰했습니다.

일반 화학에서는 개별 원자가 충돌하고 각 충돌이 분자를 형성할 확률이 있습니다. 그러나 양자역학은 양자 상태의 원자가 대신 집합적으로 작용할 것으로 예측한다.

Chin은 “더 이상 화학 반응을 독립적인 입자 간의 충돌로 취급하지 않고 집합적인 과정으로 취급하고 있습니다.”라고 설명했습니다. "그들 모두가 전체적으로 함께 반응하고 있습니다."

한 가지 결과는 일반적인 조건에서보다 반응이 더 빨리 일어난다는 것입니다. 실제로 시스템에 원자가 많을수록 반응이 더 빨리 발생합니다.

또 다른 결과는 최종 분자가 동일한 분자 상태를 공유한다는 것입니다. Chin은 서로 다른 상태의 동일한 분자가 서로 다른 물리적, 화학적 특성을 가질 수 있지만 특정 상태의 분자 배치를 만들고 싶을 때가 있다고 설명했습니다. 전통적인 화학에서는 주사위를 굴립니다. "그러나 이 기술을 사용하면 분자를 동일한 상태로 조종할 수 있습니다"라고 그는 말했습니다.

논문의 공동 저자이자 대학원생인 슈 나가타(Shu Nagata)는 반응이 2체 상호작용보다 3체 상호작용으로 더 자주 일어나고 있다는 증거를 보았다고 덧붙였습니다. 즉, 세 개의 원자가 충돌할 것입니다. 두 개는 분자를 형성하고 세 번째는 단일 상태로 유지됩니다. 그러나 세 번째는 반응에 어느 정도 역할을 했습니다.

과학자들은 이 획기적인 발전이 새로운 시대의 시작이 되기를 바라고 있습니다. 이 실험은 단순한 두 개의 원자 분자를 사용하여 수행되었지만 더 크고 복잡한 분자를 다루는 방법을 연구할 계획입니다.

Chin은 “양자 공학에 대한 우리의 이해와 지식을 더 복잡한 분자로 얼마나 확장할 수 있는지가 이 과학계의 주요 연구 방향입니다.”라고 말했습니다.

예를 들어, 현장의 일부에서는 양자 컴퓨터나 양자 정보 처리에서 분자를 큐비트로 사용하는 것을 구상했습니다. 다른 과학자들은 대칭 위반과 같은 우주의 기본 법칙을 테스트하는 등 기본 법칙과 상호 작용을 더욱 정확하게 측정하기 위한 관문으로 이를 탐색하고 있습니다.

Zhendong Zhang(PhD'22, 현재 Stanford University)과 Kai-Xuan Yao(PhD'22, 현재 Citadel)도 이 논문의 공동 저자였습니다.