Объекты, с которыми вы взаимодействуете каждый день, предсказуемы. Вы можете поднять коробку, сесть на стул, не упав на пол, и открыть дверь, не просовывая руку в ручку. Но когда вы приближаете эти объекты к квантовому уровню и смотрите на отдельные атомы, вы обнаруживаете, что все начинает вести себя несколько странно.
Типичный размер квантового объекта составляет нанометр, или одну миллиардную долю метра. В масштабе ширина человеческого волоса составляет от 60 000 до 100 000 нанометров. На наноуровне мы не можем точно знать, где находится частица в пространстве. Вы можете только вычислить вероятность того, где находится частица.
Фрэнсис Саймон/Американский институт физики, CC BY
На квантовом уровне частицы ведут себя волнообразно. Частицы ведут себя как непрерывные волны, а не как отдельные маленькие объекты. Свойства частиц, включая фундаментальные свойства, такие как положение в пространстве, определяются в терминах вероятностей. Хотя мы не можем точно знать, где находится частица, мы можем оценить вероятность ее обнаружения в определенной области пространства. Эти вероятности можно рассчитать с помощью уравнения Шредингера, решение которого называется волновой функцией.
Около столетия назад, в 1926 году, австрийский физик Эрвин Шрёдингер разработал волновое уравнение. Это позволило по ее волновой функции вычислить вероятность того, что частица проявит определенные свойства.
Хотя человеческий глаз не может проанализировать, что происходит на квантовом уровне, поведение частиц на этом уровне влияет на то, как мы воспринимаем мир. Он придает растениям зеленый цвет, обеспечивает основу для компьютеров и информационных технологий и контролирует количество повседневных веществ.
Волновое уравнение и волновая функция
Я химик-теоретик, и новаторское уравнение Шрёдингера, созданное 100 лет назад, лежит в основе многих моих исследовательских проектов. Отследите, как атомы определенного химического вещества перестраиваются, реагируя друг с другом. Отслеживание химических реакций в таких небольших масштабах помогает исследователям разрабатывать более эффективные реакции, которые могут быть полезны для всего: от создания биотоплива до разработки технологий солнечной энергии.
То, как ведут себя атомы на квантовом уровне, определяет свойства молекул и материалов, поэтому понимание их волновых функций важно, и формулировка Шредингера стала широко использоваться для этой цели. Ученые пытаются рассчитать эти волновые функции непосредственно в лаборатории, прежде чем синтезировать и охарактеризовать молекулы, чтобы лаборатория могла сосредоточить свои ресурсы на наиболее многообещающих реакциях.
Однако даже суперкомпьютеры не могут точно решить уравнение Шредингера для всех молекул, кроме самых маленьких, содержащих до пяти или шести атомов. Это связано с тем, что сложность расчета волновой функции возрастает экспоненциально по мере увеличения размера молекулы. Итак, если вам нужно вычислить 10 бит информации для каждой квантовой частицы, вам понадобится 100 бит для двух взаимодействующих частиц, 1000 бит для трех частиц и так далее.
Чтобы предсказать свойства более крупных молекул и материалов, исследователи разработали методы, которые позволяют им находить приближенные волновые функции. Эти методы могут помочь ученым разрабатывать новые молекулы и материалы с конкретными желаемыми свойствами для использования, например, в более эффективных солнцезащитных кремах, солнечных элементах, биоразлагаемых пластиках и наночастицах для доставки лекарств.
Теперь вы можете решить электронное уравнение Шредингера, используя признанное коммерческое или бесплатное программное обеспечение. Если целевая молекула не слишком велика (около нескольких десятков атомов), такую информацию, как ее стабильность и длину волны света, который она поглощает, можно рассчитать немедленно.
Однако эти инструменты имеют ограничения. Понимание квантовых эффектов, существующих в более крупных молекулах, требует специального набора инструментов, которые мы с коллегами разработали.
Квантовые эффекты в химических реакциях
София Галашук
Один эффект, который действует на квантовом уровне, называемый квантовым туннелированием, может изменить способ протекания определенных химических реакций. Решение волновой функции учитывает этот эффект.
Во многих химических реакциях первоначальный набор молекул, называемых реагентами, должен преодолеть энергетический барьер, поскольку атомы перестраиваются в продукты реакции. Обычно этот тип реакции происходит только тогда, когда реагенты нагреваются достаточно, чтобы преодолеть барьер и высвободить энергию на стороне продукта.
Однако в реакциях на квантовом уровне молекулы могут реагировать, даже если их общая энергия ниже энергетического барьера. Это явление называется квантовым туннелированием. Если легкие атомы присутствуют при низких температурах, это может быть единственным способом возникновения реакции. Более легкие частицы с большей вероятностью будут иметь волновую функцию, распространяющуюся в пространстве, и проявлять квантовые эффекты.
Самые легкие атомные ядра находятся в атомах водорода, и они наиболее подвержены квантовому туннелированию. Когда атомы водорода участвуют в химической реакции, ученые могут использовать это свойство туннелирования, чтобы узнать конкретные детали реакции. Они делают это, заменяя некоторые атомы водорода более тяжелой версией, называемой дейтерием. В ядре дейтерия есть нейтрон, а у водорода его нет. Следовательно, дейтерий в два раза тяжелее и имеет меньшую способность проходить через туннели.
Эксперимент по квантовому туннелированию
В 2022 году мы с коллегами исследовали перенос атомов водорода в реакциях, которые являются частью процесса преобразования устойчивых биологических ресурсов, таких как солома и просо, в жидкое топливо, такое как бензин и дизельное топливо. Наши квантовые расчеты показывают, что атомы водорода туннелируют, что повышает эффективность реакции. Туннелирование атомов означало, что реакции могли происходить даже при небольших затратах энергии. Со временем этот небольшой фактор привел к реальному повышению эффективности.
Наша работа объяснила, как небольшое изменение реагирующих молекул (переключение водорода на дейтерий) увеличивает размер энергетического барьера и останавливает туннельный эффект. Из-за этих особенностей квантового поведения даже, казалось бы, небольшие изменения могут привести к полной остановке реакций.
соус
Будущие квантовые приложения
Некоторые технологические приложения, использующие квантовое поведение частиц, например квантовые компьютеры, поистине футуристические. Квантовые компьютеры в конечном итоге смогут решать самые сложные вычислительные задачи гораздо быстрее, чем обычные компьютеры.
На данный момент у нас есть только ранние прототипы квантовых компьютеров. Это большая и очень сложная экспериментальная машина, в отличие от первых компьютеров, которые были размером с комнату.
Возможно, однажды квантовые компьютеры смогут помочь ученым решить уравнение Шредингера для молекул, состоящих из тысяч атомов, что позволит им создавать более совершенные молекулы, материалы и технологии.
