Учёные из Чикагского университета стали первыми свидетелями явления, названного «квантовой суперхимией». Эффект давно был предсказан теоретически, но впервые наблюдался вживую только сейчас. В основе явления лежит коллективное поведение множества атомов, как одного большого атома. Такие «суператомы» будут вести себя иначе в химических реакциях и могут стать источником необычных материалов, что пригодится в сфере квантовых вычислений и не только.

Источник изображения: John Zich / University of Chicago

Отдельные атомы приобретают одинаковые квантовые состояния и становятся неотличимыми друг от друга при сильнейшем охлаждении — возникает так называемый конденсат Бозе–Эйнштейна. Предполагалось, что в таком состоянии облако атомов будет вести себя как один большой атом, что заставит те же химические реакции проходить по-иному. При обычных условиях пара атомов сталкивается и может образовать молекулу. Но что будет, если столкнутся «суператомы» — облака идентичных по своим квантовым свойствам атомов? Как минимум, это ускорит химические реакции, говорит теория. И учёные из Чикагского университета действительно увидели такие процессы.

«Вы больше не рассматриваете химическую реакцию как столкновение между независимыми частицами, а как коллективный процесс, — рассказали авторы исследования. — Все они реагируют вместе, как единое целое».

Прежде всего, отметим, идентичность квантовых состояний ведёт к тому, что атомы становятся квантово запутанными. После реакции взаимодействия «суператомов» образуются «супермолекулы» с такими же идентичными квантовыми состояниями, включая запутанность. Ценность таких «суперреакций» в том, что мы получаем возможность создать достаточно большие кубиты — размером от молекул до вполне осязаемых элементов квантовых компьютеров. Такой «суперкубит» будет меньше бояться случайных помех и сможет дольше удерживать квантовые состояния в процессе вычислений. Это своего рода вторжение или масштабирование квантовых микроявлений в наш макромир.

Это открытие может проложить путь к новым технологиям в области квантовой химии, квантовых вычислений и помочь учёным в изучении законов физики. Пока эта суперхимия проводилась только с двухатомными молекулами, но команда планирует расширить работу и включить в неё более сложные молекулы.

Физики из Университета Рутгерса предложили теоретические взгляды на эксперимент с участием «странного металла», который может сыграть решающую роль в развитии будущих квантовых технологий. Исследователи, изучающие соединение, называемое Y-ball, которое принадлежит к классу «странных металлов», считающихся ключевыми для разработки передовых квантовых материалов, обнаружили новые методы изучения и понимания его поведения.

Источник изображения: freepik

«Странные металлы» — это металлы, которые не подчиняются теории ферми-жидкости, которая описывает поведение электронов в обычных металлах при низких температурах. В странных металлах сопротивление пропорционально температуре вблизи абсолютного нуля, тогда как в обычных после сверх проводящей фазы идет резкий рост сопротивления. Это состояние вещества можно назвать промежуточным между проводником и диэлектриком. В качестве примера «странных металлов» можно привести купраты.

В журнале Science международная группа исследователей из Рутгерса, Университета Хиого и Токийского университета в Японии, Университета Цинциннати и Университета Джона Хопкинса описала детали движения электронов, которые дают новое представление о необычных электрических свойствах Y-ball. Материал, технически известный как соединение YbAlB4, содержит элементы иттербий, алюминий и бор.

Анализируя материал с помощью метода, известного как мессбауэровская спектроскопия, учёные исследовали Y-ball с помощью гамма-лучей, измеряя скорость, с которой колеблется электрический заряд металла. В обычном металле, когда электроны движутся, они переходят из атома в атом, вызывая колебания их электрического заряда, но со скоростью, в тысячи раз превышающей скорость, которую можно увидеть с помощью мессбауэровской спектроскопии. В данном случае изменение произошло за наносекунду, миллиардную долю секунды.

Учёные рассказали, что, когда Y-ball и другие «странные металлы» охлаждаются до низких температур, они часто становятся сверхпроводниками, вообще не проявляя сопротивления. В это семейство попадают материалы с самыми высокими температурами сверхпроводимости. Таким образом, эти металлы очень важны, потому что они обеспечивают основу для новых форм электронной материи и высокотемпературных сверхпроводников.

Ожидается, что сверхпроводящие материалы будут играть центральную роль в следующем поколении квантовых технологий, потому что, устраняя все электрические сопротивления, они позволяют электрическому току течь квантово-механически синхронизированным образом.