סופר-כימיה קוונטית: חוקרים גילו שכשמעבירים אטומים למצב צבירה נדיר, אפשר להפוך את כיוונן של תגובות כימיות ולקבוע את הקצב שלהן
תגובות כימיות פשוטות, שבהן אטומים מתחברים יחד למולקולות, הן אבני היסוד של תהליכים רבים בעולמנו. למשל החמצן שאנו נושמים הוא מולקולה קטנה שמורכבת משני אטומי חמצן שהתחברו יחד. בדרך כלל יש לתגובות הכימיות הללו קצב מסוים וכיוון מועדף, כך שאטומי החמצן יתחברו למולקולה, אך מולקולת חמצן לא תתפרק סתם כך לאטומים. אבל מדוע? והאם אפשר לשנות את זה? במחקר חדש הצליחו חוקרים לתמרן את מאפייניה של תגובה כימית פשוטה באמצעות שליטה במצב הקוונטי של המרכיבים שלה. ההשערה של החוקרים הייתה שאטומים ומולקולות באותו מצב קוונטי יתנהגו אחרת מאשר במהלך תגובה כימית רגילה, אך עקב הקושי בביצוע ניסוי כזה התופעה לא נצפתה עד כה. בכימיה רגילה אטומים מתנגשים זה בזה, ועבור כל התנגשות יש סבירות ליצירת מולקולה. במצב קוונטי הציפייה היא שאטומים יפעלו כולם כאחד.
לתגובה כימית רגילה יש קצב וכיוון מסוימים. אטומים מתנגשים ומתחברים למולקולות בתגובה כימית | Anshuman Rath, Shutterstock
קירור עמוק
במחקר שפורסם בכתב העת Nature Physics קיררו חוקרים מאוניברסיטת שיקגו אטומי צזיום לטמפרטורה נמוכה במיוחד של פחות ממיליונית המעלה מעל האפס המוחלט, שהוא כ-273 מעלות צלזיוס מתחת לאפס. בטמפרטורה נמוכה כל כך, התכונות הקוונטיות של האטומים הופכות משמעותיות מאוד והאטומים נכנסים למצב צבירה מיוחד שנקרא "מעובה בוז-איינשטיין". במצב הצבירה הזה, לכל האטומים יש אותם מאפיינים קוונטיים, למשל אותה אנרגיה, והם נוטים להימצא באותו מקום ולנוע באותה מהירות. לאחר מכן הפעילו החוקרים שדות מגנטיים חזקים, שמטרתם לגרום לאטומים להתקרב זה לזה עוד יותר ולעודד אותם להתחבר יחד למולקולות.
החוקרים גילו כי כשהאטומים נמצאים במצב הצבירה הזה, קצב ההתחברות שלהם למולקולות מהיר יותר מהקצב הרגיל של התגובה הכימית. מעבר לכך, התברר שכשהמצב הזה מתמשך, המולקולות שנוצרו מתפרקות בחזרה לאטומים, ואז מתחברות מחדש וחוזר חלילה. התהליך הזה מתרחש בקצב קבוע ומהיר שאפשר לשנות אם שולטים במאפיינים כמו עוצמת השדה המגנטי וכמות האטומים הזמינים. מכאן נובע שבמצב הזה התגובה הכימית הפיכה לחלוטין, ובאמצעות בחירה מוקפדת של הפרמטרים של הניסוי אפשר לבחור בדיוק כמה אטומים וכמה מולקולות נקבל בסוף.
החוקרים מכנים את התופעה "סופר-כימיה קוונטית". זהו המחקר הראשון שמדגים את התופעה בכלים ניסויים, והוא ממחיש בבירור שאכן, אם משתמשים נכון באופי הקוונטי של החומר אפשר לחולל תגובות ייחודיות ולשלוט בהן. למשל, תוצאות הניסוי מראות שאפשר להגביר את קצב התרחשותן של תגובות כימיות מורכבות, שבדרך כלל אורכות זמן רב או אינן מתרחשות כלל. בנוסף, הניסוי מצביע על כך שאפשר אפילו להחזיר לאחור תגובות כימיות, כלומר לפרק מולקולות בחזרה לאטומים. יכולות אלו, בשילוב עם היכולת שהדגימו החוקרים לשלוט במדויק במספר האטומים שמתחברים למולקולות, עשויים להקל על ביצוע תהליכים כימיים מורכבים, ובעתיד אף לשמש בפיתוח תרופות וחומרים כימיים ייחודיים. כמו כן הם יאפשרו לפתח דרכים יעילות לפירוק חומרים מורכבים למרכיבי היסוד שלהם. הדרך ליישומים אלו עוד ארוכה, אך החוקרים מקווים שהניסוי שלהם יפתח דלת לניסויים דומים רבים, ויסלול את הדרך לפיתוח "סופר-כימיה קוונטית".
