近年来，物理学家一直试图在量子简并态下实现化学反应的控制，其中粒子的德布罗意波长与粒子之间的间距相当。理论预测表明，在这种情况下，玻色子反应物之间的多体反应将以量子相干性和玻色增强为标志，但这很难通过实验验证。

芝加哥大学的研究人员最近开始在量子简并状态下观察这些难以捉摸的多体化学反应。他们的论文发表在《自然物理学》上，展示了对玻色凝聚原子和分子之间相干集体反应的观察。

“分子反应的量子控制是原子和分子物理学中一个快速发展的研究领域，”进行这项研究的研究人员之一ChengChin告诉Phys.org。

“人们设想冷分子在精密计量、量子信息和化学反应的量子控制方面的应用。在所有目标中，量子超化学是一个重大的科学目标。20多年前，研究人员预测化学反应可以通过以下方式共同增强：当反应物和产物在单量子态下制备时的量子力学。”

一段时间以来，通过量子力学过程增强化学反应一直是人们长期追求的研究目标。这些增强的化学反应被称为“超级反应”，与超导性或激光的功能非常相似，但分别使用分子而不是电子或光子。

Chin和他的同事最近工作的主要目标是观察量子简并气体中的多体超反应。为了进行实验，他们专门使用了玻色凝聚铯原子，这是一种强正电性和碱性元素，经常用于开发原子钟和量子技术。

“铯原子在低温下具有化学反应性，可以高效地转化为分子玻色凝聚物，”Chin解释道。“我们监测了原子凝聚态分子形成的动力学，并观察了原子和分子之间的宏观量子相干性。”

该团队的实验产生了一系列有趣的观察结果。他们发现凝聚态铯原子中的超级化学反应最初以分子的快速形成为标志。当它们转向平衡时，这些分子以不同的速度振荡。原子密度较高的样品似乎振荡得更快，这暗示着玻色子对反应的增强。

“我们的工作展示了量子简并态中化学反应的新指导原则，”Chin说。“特别是，我们证明所有原子和分子都可以作为一个整体集体反应。这种多体反应有望在不耗散的情况下控制化学反应的推进和逆转，并引导反应途径产生所需的产物。”

Chin和他的同事最近的工作有助于目前对量子多体化学反应的理解，概述了在量子简并下控制这些反应的可行途径。在他们的论文中，研究人员介绍了一种量子场模型，该模型可以很好地捕获这些反应的关键动力学，从而可以指导该研究领域的未来实验。

“我们现在计划确定控制量子多体体系中化学反应的新基本定律，”Chin补充道。“例如，凝聚态分子由单个波函数描述，波函数的相位可以成为控制化学反应方向的关键。此外，我们将研究更复杂的反应中的多体效应。，多原子分子。”

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