Şimdi Nanoteknoloji - Basın Bülteni: Kimyasal Reaksiyonlar Kara Deliklerin Yanı Sıra Kuantum Bilgisini de Karıştırabilir

Plato tarafından yeniden yayınlandı

İzleyiciler: 0

Ana Sayfa > Basın > Kimyasal reaksiyonlar kara deliklerin yanı sıra kuantum bilgisini de karıştırabilir

Chenghao Zhang (solda) ve Sohang Kundu

KREDİ
(Zhang'ın fotoğrafı: Bill Wiegand/University of Illinois Urbana-Champaign; Kundu'nun fotoğrafı, Sohang Kundu'nun izniyle)

Özet:
Eğer bir şişedeki mesajı bir kara deliğe atarsanız, içindeki tüm bilgiler kuantum seviyesine kadar tamamen karışır. Kara deliklerde bu karıştırma, kuantum mekaniğinin izin verdiği ölçüde hızlı ve kapsamlı bir şekilde gerçekleştiğinden, genellikle doğanın en üstün bilgi karıştırıcıları olarak kabul edilirler.

Kimyasal reaksiyonlar kara deliklerin yanı sıra kuantum bilgisini de karıştırabilir

Houston, Teksas | 5 Nisan 2024'te yayınlandı

Rice Üniversitesi teorisyeni Peter Wolynes ve Illinois Urbana-Champaign Üniversitesi'ndeki işbirlikçilerinin yeni araştırması, moleküllerin kuantum bilgisini karıştırmada kara delikler kadar güçlü olabileceğini gösterdi. Kara delik fiziği ve kimyasal fiziğin matematiksel araçlarını birleştirerek, kuantum bilgi karıştırmanın kimyasal reaksiyonlarda gerçekleştiğini ve kara deliklerde olduğu gibi neredeyse aynı kuantum mekaniksel limite ulaşabildiğini gösterdiler. Çalışma, Ulusal Bilimler Akademisi Bildirilerinde çevrimiçi olarak yayınlanmaktadır.

Wolynes, "Bu çalışma, kuantum bilgisinin moleküllerde ne kadar hızlı karıştığı sorusuyla ilgili olan, kimyasal fizikte uzun süredir devam eden bir sorunu ele alıyor" dedi. "İnsanlar iki molekülün bir araya geldiği bir reaksiyonu düşündüklerinde, atomların yalnızca bir bağın oluştuğu veya bağın koptuğu tek bir hareket gerçekleştirdiğini düşünüyorlar.

"Fakat kuantum mekaniği açısından bakıldığında çok küçük bir molekül bile çok karmaşık bir sistemdir. Güneş sistemindeki yörüngelere benzer şekilde, bir molekülün çok sayıda olası hareket tarzı vardır; bunlar kuantum durumları dediğimiz şeylerdir. Bir kimyasal reaksiyon gerçekleştiğinde, reaktanların kuantum durumları hakkındaki kuantum bilgisi karışır ve biz bilgi karıştırmanın reaksiyon hızını nasıl etkilediğini bilmek isteriz."

Kuantum bilgisinin kimyasal reaksiyonlarda nasıl karıştırıldığını daha iyi anlamak için bilim insanları, genellikle kara delik fiziğinde kullanılan, zaman dışı sıra bağdaştırıcıları veya OTOC'ler olarak bilinen matematiksel bir aracı ödünç aldılar.

Wolynes, "OTOC'ler aslında yaklaşık 55 yıl önce çok farklı bir bağlamda icat edildi; süper iletkenlerdeki elektronların bir safsızlıktan kaynaklanan rahatsızlıklardan nasıl etkilendiğini incelemek için kullanıldılar" dedi. "Bunlar süperiletkenlik teorisinde kullanılan çok özel bir nesne. Daha sonra 1990'larda kara delikler ve sicim teorisi üzerinde çalışan fizikçiler tarafından kullanıldılar."

OTOC'ler, bir kuantum sisteminin bir parçasında belirli bir anda ne kadar ince ayar yapılmasının diğer parçaların hareketlerini etkileyeceğini ölçer ve bilginin molekül boyunca ne kadar hızlı ve etkili bir şekilde yayılabileceğine dair içgörü sağlar. Bunlar, klasik kaotik sistemlerdeki öngörülemezliği ölçen Lyapunov üslerinin kuantum analoğudur.

Illinois Urbana-Champaign'den kimyager ve araştırmanın ortak yazarlarından Martin Gruebele, "Bir OTOC'nin zamanla ne kadar hızlı arttığı size kuantum sisteminde bilginin ne kadar hızlı karıştırıldığını, yani ne kadar daha fazla rastgele görünen duruma erişildiğini gösterir" dedi. Ulusal Bilim Vakfı tarafından finanse edilen Rice-Illinois Ortak Kusurları Özellik Olarak Uyarlama Merkezi'nin bir parçası olan çalışma. "Kimyacılar kimyasal reaksiyonlarda karıştırma konusunda çok çelişkilidirler çünkü karıştırmak reaksiyon hedefine ulaşmak için gereklidir, ancak aynı zamanda reaksiyon üzerindeki kontrolünüzü de bozar.

"Moleküllerin hangi koşullar altında bilgiyi karıştırdığını ve hangi koşullar altında potansiyel olarak alamadıklarını anlamak, bize reaksiyonları daha iyi kontrol edebilme konusunda bir kontrol sağlıyor. OTOC'leri bilmek, temel olarak, bu bilgilerin gerçekten kontrolümüz dışında kaybolduğu ve tam tersine, kontrollü sonuçlar elde etmek için onu hala ne zaman kullanabileceğimiz konusunda sınırlar koymamıza olanak tanıyor."

Klasik mekanikte bir reaksiyonun meydana gelmesi için bir parçacığın enerji bariyerini aşmaya yetecek kadar enerjiye sahip olması gerekir. Ancak kuantum mekaniğinde parçacıkların, yeterli enerjiye sahip olmasalar bile bu bariyeri "tünel" yoluyla geçme olasılığı vardır. OTOC'lerin hesaplanması, tünellemenin hakim olduğu düşük sıcaklıklarda düşük aktivasyon enerjisine sahip kimyasal reaksiyonların, bir kara delik gibi neredeyse kuantum sınırında bilgi karıştırabileceğini gösterdi.

Aynı zamanda Illinois Urbana-Champaign'de kimyager olan Nancy Makri, basit kimyasal reaksiyon modeli, büyük bir molekülün kendi titreşimleri veya bir çözücü olabilen daha büyük bir sisteme yerleştirildiğinde ne olacağını incelemek için geliştirdiği yol integrali yöntemlerini kullandı. kaotik hareketi bastırmak için.

Makri, "Ayrı bir araştırmada, geniş ortamların işleri daha düzenli hale getirdiğini ve bahsettiğimiz etkileri bastırdığını bulduk" dedi. "Böylece geniş bir ortamla etkileşime giren bir tünel açma sistemi için OTOC'yi hesapladık ve gördüğümüz şey, karıştırmanın bastırıldığıydı; davranışta büyük bir değişiklik."

Araştırma bulgularının pratik uygulama alanlarından biri, tünelleme sistemlerinin kuantum bilgisayarlar için kübitler oluşturmak amacıyla nasıl kullanılabileceğine sınırlamalar getirmektir. Kuantum bilgisayarların güvenilirliğini artırmak için etkileşimli tünelleme sistemleri arasındaki bilgi karışıklığının en aza indirilmesi gerekiyor. Araştırma aynı zamanda ışıkla çalışan reaksiyonlar ve ileri malzeme tasarımıyla da ilgili olabilir.

"Bu fikirleri, yalnızca belirli bir reaksiyonda tünel açmayacağınız, aynı zamanda birden fazla tünel açma adımına sahip olacağınız süreçlere genişletme potansiyeli var, çünkü örneğin yeni yumuşak reaksiyonların çoğunda elektron iletimi ile ilgili olan şey budur. Gruebele, "Güneş pilleri ve buna benzer şeyler yapmak için kullanılan perovskit gibi kuantum malzemeleri" dedi.

Wolynes, Rice'ın DR Bullard-Welch Vakfı Bilim Profesörü, kimya, biyokimya ve hücre biyolojisi, fizik ve astronomi ve malzeme bilimi ve nanomühendislik profesörü ve Ulusal Bilim tarafından finanse edilen Teorik Biyolojik Fizik Merkezi'nin eş direktörüdür. Temel. Ortak yazarlar Gruebele, Kimya alanında James R. Eiszner'in bağışlanmış başkanıdır; Makri, Edward William ve Jane Marr Gutgsell Profesörü ve kimya ve fizik profesörüdür; Chenghao Zhang, Illinois Urbana-Champaign'de fizik alanında yüksek lisans öğrencisiydi ve şu anda Pacific Northwest Ulusal Laboratuvarı'nda doktora sonrası araştırmacıdır; ve Sohang Kundu yakın zamanda doktora derecesini aldı. Illinois Üniversitesi'nden kimya alanında ve şu anda Columbia Üniversitesi'nde doktora sonrası eğitimine devam ediyor.

Araştırma, Ulusal Bilim Vakfı (1548562, 2019745, 1955302) ve Rice'daki Bullard-Welch Kürsüsü (C-0016) tarafından desteklenmiştir.

####

Rice Üniversitesi Hakkında
Houston'da 300 dönümlük ormanlık bir kampüste yer alan Rice Üniversitesi, US News & World Report tarafından sürekli olarak ülkenin en iyi 20 üniversitesi arasında yer almaktadır. Rice, mimarlık, işletme, sürekli çalışmalar, mühendislik, beşeri bilimler, müzik, doğa bilimleri ve sosyal bilimler alanlarında son derece saygın okullara sahiptir ve Baker Kamu Politikası Enstitüsü'ne ev sahipliği yapmaktadır. 4,574 lisans öğrencisi ve 3,982 yüksek lisans öğrencisi ile Rice'ın lisans öğrencisi/öğretim elemanı oranı 6'ya 1'in biraz altındadır. Yatılı üniversite sistemi birbirine sıkı sıkıya bağlı topluluklar ve yaşam boyu dostluklar kurar; bu, Rice'ın Princeton tarafından birçok ırk/sınıf etkileşimi açısından 1., en iyi yönetilen üniversiteler için 2. ve yaşam kalitesi açısından 12. sırada yer almasının sadece bir nedenidir. Gözden geçirmek. Rice ayrıca Kiplinger's Personal Finance tarafından özel üniversiteler arasında en iyi değer olarak derecelendirildi.

Daha fazla bilgi için lütfen tıklayın okuyun

İletişim:
Silvia Cernea Clark
Rice Üniversitesi
Ofis: 7133486728

Telif Hakkı © Rice Üniversitesi

Bir yorumunuz varsa, lütfen İletişim bize.

7th Wave, Inc. veya Nanotechnology Now değil, haber bültenleri yayıncıları yalnızca içeriğin doğruluğundan sorumludur.

Yer imi: