Het verschijnsel ‘quantumsuperchemie’, waarbij een chemische reactie versneld verloopt doordat de deelnemende atomen in dezelfde quantumtoestand verkeren, is voor het eerst waargenomen in een Amerikaans lab.
Meer dan twintig jaar geleden voorspelden theoretici het bestaan van superchemie. Hierbij breng je een grote hoeveelheid atomen in dezelfde quantumtoestand, waardoor ze zich collectief hetzelfde gaan gedragen. Dit zou chemische reacties sneller maken, en ook beter controleerbaar. Bovendien produceer je met zo’n reactie moleculen die ook in dezelfde quantumtoestand zitten. Dat maakt ze bijvoorbeeld geschikt voor experimenten die nodig zijn om de quantumwereld beter te begrijpen.
Onderzoekers van de Universiteit van Chicago hebben nu voor het eerst een superchemische reactie laten plaatsvinden. Bij hun reactie veranderden cesiumatomen samen in cesiummoleculen. De resultaten zijn gepubliceerd in het wetenschappelijk tijdschrift Nature Physics.
Hoe bacteriën en schimmels tumoren van binnenuit kunnen slopen
Tumoren zijn een rijke voedingsbodem voor bacteriën en schimmels, organismen die het verloop van kanker kunnen beïnvloeden. Dit inzicht maakt het mo ...
IJskoude superchemie
Om de cesiumatomen in dezelfde quantumtoestand te krijgen, koelden de wetenschappers deze deeltjes af tot bijna het absolute nulpunt (-273,15 graden Celsius). Hoe lager de temperatuur, hoe minder energie de atomen hebben. Bij een extreem lage temperatuur zitten de cesiumatomen daardoor allemaal in de quantumtoestand die het minste energie vergt.
Doordat ze allemaal in diezelfde toestand verkeren, vormen ze een zogeheten bose-einsteincondensaat. De atomen gedragen zich dan niet meer als losse deeltjes, maar ze gedragen zich gezamenlijk alsof ze een groot atoom zijn.
Zodra de cesiumatomen een bose-einsteincondensaat vormden, zetten de onderzoekers een magneetveld aan. Dit stimuleerde de atomen om samen moleculen te vormen. Zo ontstonden er in het bose-einsteincondensaat cesiummoleculen, die bestaan uit twee cesiumatomen.
Samen sneller
Normaal gesproken, bij hogere temperaturen, zouden de cesiumatomen in een gas vrij rondstuiteren en af en toe op elkaar botsen. Tijdens zo’n botsing is er een bepaalde kans dat de atomen een reactie aangaan en een molecuul vormen. Hoe langer je wacht, hoe meer botsingen er hebben plaatsgevonden en dus hoe meer cesiummoleculen je hebt.
In het bose-einsteincondensaat van de Amerikaanse onderzoekers verloopt deze reactie een paar keer sneller dan in een gewoon gas. Dat komt doordat de cesiumatomen dus allemaal samen, als een geheel reageren.
‘Je kunt de chemische reactie niet langer zien als een botsing tussen onafhankelijke deeltjes. Het is een collectief proces’, zegt onderzoeker Cheng Chin. De onderzoekers hebben ook aangetoond dat de reactie sneller verloopt naarmate het bose-einsteincondensaat uit meer atomen bestaat.
De cesiummoleculen uit het bose-einsteincondensaat bevinden zich bovendien in dezelfde toestand. Moleculen die in verschillende toestanden verkeren, kunnen verschillende chemische eigenschappen hebben. Via quantumsuperchemie kun je reacties dus sturen. zodat ze enkel moleculen produceren met de gewenste chemische eigenschappen.
Nieuw tijdperk
Toepassingen zoals meer gecontroleerde chemische reacties zijn wel nog toekomstmuziek. Het vereist nu nog een complexe labopstelling. En dit eerste experiment betrof een relatief eenvoudige chemische reactie, waarbij twee dezelfde atomen samen een molecuul vormen.
Toch is het een veelbelovende stap. ‘Wat we zagen komt overeen met de theoretische voorspellingen’, zegt Cheng Chin in een persverklaring. ‘Dit is al twintig jaar een wetenschappelijk doel. Hiermee is dus een spannend tijdperk aangebroken.’
Quantumnatuurkundige Johannes Hecker Denschlag, hoogleraar aan de Universiteit Ulm in Duitsland en niet betrokken bij het onderzoek, sluit zich daarbij aan. ‘Ik vind dit spannende resultaten’, laat hij weten. ‘Het is zeer indrukwekkend werk, dat de natuurkunde van koude botsingen en reacties op een nieuw en zeer interessant terrein brengt.’
