Les scientifiques de l'UChicago observent les premières preuves de « superchimie quantique » en laboratoire

Par Louise Lerner

4 août 2023

Une équipe de l’Université de Chicago a annoncé la première preuve d’une « superchimie quantique », un phénomène dans lequel des particules dans le même état quantique subissent des réactions collectives accélérées. L’effet avait été prédit, mais jamais observé en laboratoire.

Les résultats, publiés le 24 juillet dans Nature Physics, ouvrent la porte à un nouveau domaine. Les scientifiques s’intéressent vivement à ce que l’on appelle les réactions chimiques « quantiques améliorées », qui pourraient avoir des applications en chimie quantique, en informatique quantique et dans d’autres technologies, ainsi qu’à une meilleure compréhension des lois de l’univers.

"Ce que nous avons vu correspond aux prédictions théoriques", a déclaré Cheng Chin, professeur de physique et membre de l'Institut James Franck et de l'Institut Enrico Fermi, dont le laboratoire a mené la recherche. "C'est un objectif scientifique depuis 20 ans, c'est donc une époque très excitante."

Le laboratoire de Chin est spécialisé dans le travail avec des particules maintenues à des températures très, très basses. Près du zéro absolu, les particules peuvent se relier pour se trouver toutes dans le même état quantique, où elles peuvent afficher des capacités et des comportements inhabituels.

Il avait été théorisé qu'un groupe d'atomes et de molécules dans le même état quantique se comporteraient différemment lors de réactions chimiques, mais la difficulté d'orchestrer l'expérience signifiait que cette expérience n'avait jamais été observée.

Le groupe de Chin a l'habitude de regrouper les atomes dans des états quantiques, mais les molécules sont plus grosses et beaucoup plus complexes que les atomes. Le groupe a donc dû inventer de nouvelles techniques pour les résoudre.

Au cours des expériences, les scientifiques ont refroidi les atomes de césium et les ont amenés dans le même état quantique. Ensuite, ils ont observé les atomes réagir pour former des molécules.

En chimie ordinaire, les atomes individuels entreraient en collision, et il existe une probabilité que chaque collision forme une molécule. Cependant, la mécanique quantique prédit que les atomes dans un état quantique accomplissent plutôt des actions collectivement.

"Vous ne traitez plus une réaction chimique comme une collision entre des particules indépendantes, mais comme un processus collectif", a expliqué Chin. « Tous réagissent ensemble, dans leur ensemble. »

L’une des conséquences est que la réaction se produit plus rapidement que dans des conditions normales. En fait, plus il y a d’atomes dans le système, plus la réaction est rapide.

Une autre conséquence est que les molécules finales partagent le même état moléculaire. Chin a expliqué que les mêmes molécules dans différents états peuvent avoir des propriétés physiques et chimiques différentes, mais il arrive parfois que vous souhaitiez créer un lot de molécules dans un état spécifique. En chimie traditionnelle, vous lancez les dés. "Mais avec cette technique, vous pouvez diriger les molécules vers un état identique", a-t-il déclaré.

Shu Nagata, étudiant diplômé et co-auteur de l'article, a ajouté qu'ils avaient constaté que la réaction se produisait plus souvent sous la forme d'une interaction à trois corps que d'une interaction à deux corps. Autrement dit, trois atomes entreraient en collision ; deux formeraient une molécule et le troisième resterait unique. Mais le troisième a joué un certain rôle dans la réaction.

Les scientifiques espèrent que cette avancée marquera le début d’une nouvelle ère. Bien que cette expérience ait été réalisée avec des molécules simples à deux atomes, ils prévoient de progresser jusqu'à manipuler des molécules plus grosses et plus complexes.

"La mesure dans laquelle nous pouvons pousser notre compréhension et nos connaissances de l'ingénierie quantique vers des molécules plus complexes constitue une direction de recherche majeure dans cette communauté scientifique", a déclaré Chin.

Certains acteurs du domaine ont envisagé d’utiliser des molécules comme qubits dans les ordinateurs quantiques ou dans le traitement de l’information quantique, par exemple. D'autres scientifiques les explorent comme passerelles vers des mesures encore plus précises des lois et interactions fondamentales, telles que le test des lois fondamentales de l'univers comme la violation de la symétrie.

Zhendong Zhang (PhD'22, maintenant à l'Université de Stanford) et Kai-Xuan Yao (PhD'22, maintenant à Citadel) étaient également co-auteurs de l'article.