La traduction d’ aujourd’hui
concerne la publication ci-après
:’’ Researchers design new experiments to map and test the mysterious quantum
realm
by Harvard University
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Des chercheurs conçoivent de nouvelles expériences pour
cartographier et tester le mystérieux royaume quantique
par l'Université de Harvard
Kang-Kuen Ni, à droite, et Matthew A. Nichols, un
post-doctorant, effectuent une consultation pratique dans leur laboratoire. Ni
et son équipe utilisent
la chimie
ultra-froide pour tester la théorie quantique par rapport à des données
expérimentales réelles et créer une carte vérifiable des lois quantiques qui
régissent tout sur terre. Crédit: Jon Chase / Photographe du personnel de
Harvard
Un chirurgien cardiaque n'a pas besoin de comprendre la
mécanique quantique pour effectuer des opérations réussies. Même les chimistes
n'ont pas toujours besoin de connaître ces principes fondamentaux pour étudier
les réactions chimiques. Mais pour Kang-Kuen Ni, le professeur agrégé Morris
Kahn de chimie et de biologie chimique et de physique, la spéléologie quantique
est, comme l'exploration spatiale, une quête pour découvrir un nouveau domaine
vaste et mystérieux.
Aujourd'hui, une grande partie de la mécanique quantique est
expliquée par l'équation de Schrödinger, une sorte de théorie maîtresse qui
régit les propriétés de tout sur Terre. "Même si nous savons que, en
principe, la mécanique quantique régit tout", a déclaré Ni, "voir
réellement c'est difficile et le calculer réellement est presque
impossible."
Avec quelques hypothèses bien raisonnées et des techniques
innovantes, Ni et son équipe peuvent réaliser le quasi-impossible. Dans leur
laboratoire, ils testent les théories quantiques actuelles sur les réactions
chimiques par rapport à des données expérimentales réelles pour se rapprocher
d'une carte vérifiable des lois qui régissent le mystérieux royaume quantique.
Et maintenant, avec la chimie ultra-froide - dans laquelle les atomes et les
molécules sont refroidis à des températures juste au-dessus du zéro absolu où
ils deviennent hautement contrôlables - Ni et les membres de son laboratoire
ont collecté de vraies données expérimentales à partir d'une frontière
quantique jusqu'alors inexplorée, fournissant des preuves solides de ce que le
modèle théorique a eu raison (et mal), et une feuille de route pour une
exploration plus approfondie des prochaines couches sombres de l'espace
quantique.
"Nous connaissons les lois sous-jacentes qui régissent
tout", a déclaré Ni. "Mais parce que presque tout sur Terre est
composé d'au moins trois atomes ou plus, ces lois deviennent rapidement
beaucoup trop complexes à résoudre."
Dans leur étude rapportée dans Nature, Ni et son équipe ont
entrepris d'identifier tous les résultats possibles de l'état énergétique, du
début à la fin, d'une réaction entre deux molécules de potassium et de rubidium
- une réaction plus complexe que celle qui avait été précédemment étudiée dans
le domaine quantique. . Ce n'est pas une mince affaire: à son niveau le plus
fondamental, une réaction entre quatre molécules a un nombre énorme de
dimensions (les électrons tournant autour de chaque atome, par exemple,
pourraient être dans un nombre presque infini d'emplacements simultanément).
Cette dimensionnalité très élevée rend impossible le calcul de toutes les
trajectoires de réaction possibles avec la technologie actuelle.
"Calculer exactement comment l'énergie se redistribue
lors d'une réaction entre quatre atomes est au-delà de la puissance des
meilleurs ordinateurs d'aujourd'hui", a déclaré Ni. Un ordinateur
quantique pourrait être le seul outil capable de réaliser un jour un tel calcul
aussi complexe.
.
En attendant, calculer l'impossible nécessite quelques
hypothèses et approximations bien raisonnées (choisir un emplacement pour l'un
de ces électrons, par exemple) et des techniques spécialisées qui confèrent à
Ni et à son équipe un contrôle ultime sur leur réaction.
L'une de ces techniques était une autre découverte récente
du laboratoire Ni: dans une étude publiée dans Nature Chemistry, elle et son
équipe ont exploité une caractéristique fiable des molécules - leur spin
nucléaire très stable - pour contrôler l'état quantique des molécules en
réaction jusqu'au bout des produits. Ils ont également découvert un moyen de
détecter les produits d'un seul événement de réaction de collision, un exploit
difficile lorsque 10 000 molécules pouvaient réagir simultanément. Grâce à ces
deux méthodes novatrices, l'équipe a pu identifier le spectre unique et l'état
quantique de chaque molécule de produit, le type de contrôle précis nécessaire
pour mesurer les 57 voies que leur réaction potassium-rubidium pourrait
emprunter.
Pendant plusieurs mois pendant la pandémie COVID-19,
l'équipe a mené des expériences pour collecter des données sur chacun de ces 57
canaux de réaction possibles, en répétant chaque canal une fois par minute
pendant plusieurs jours avant de passer au suivant. Heureusement, une fois
l'expérience configurée, elle peut être exécutée à distance: les membres du
laboratoire peuvent rester à la maison, gardant le laboratoire de réoccupation
aux normes COVID-19, pendant que le système est en marche.
"Le test", a déclaré Matthew Nichols, chercheur
postdoctoral au laboratoire Ni et auteur des deux articles, "indique un
bon accord entre la mesure et le modèle pour un sous-ensemble contenant 50
paires d'états mais révèle des écarts significatifs dans plusieurs paires
d'états. . "
En d'autres termes, leurs données expérimentales ont
confirmé que les prédictions précédentes basées sur la théorie statistique (
bien moins complexe que l'équation de Schrödinger) sont exactes - pour la
plupart. En utilisant leurs données, l'équipe a pu mesurer la probabilité que
leur réaction chimique prenne chacun des 57 canaux de réaction. Ensuite, ils
ont comparé leurs pourcentages avec le modèle statistique. Seuls sept des 57
ont montré une divergence suffisamment importante pour contester la théorie.
"Nous avons des données qui repoussent cette
frontière", a déclaré Ni. "Pour expliquer les sept canaux déviants,
nous devons calculer l'équation de Schrödinger, ce qui est encore impossible.
Alors maintenant, la théorie doit rattraper son retard et proposer de nouvelles
façons d'effectuer efficacement ces calculs quantiques exacts."
Ensuite, Ni et son équipe prévoient de réduire leur
expérience et d'analyser une réaction entre seulement trois atomes (une
molécule et un atome). En théorie, cette réaction, qui a beaucoup moins de
dimensions qu'une réaction à quatre atomes, devrait être plus facile à calculer
et à étudier dans le domaine quantique. Et pourtant, déjà, l'équipe a découvert
quelque chose d'étrange: la phase intermédiaire de la réaction dure de nombreux
ordres de grandeur plus longtemps que la théorie ne le prédit.
"Il y a déjà un mystère", a déclaré Ni.
"C'est pour les théoriciens maintenant."
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ultracold chemistry, Nature (2021). DOI: 10.1038/s41586-021-03459-6
Journal information: Nature
Provided by
Harvard University
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Mon
commentaire
Partir dans une prévision
quantique pour étudier une réaction a déjà été
étudié mais les auteurs veulent innover
tout en se simplifiant la tache…Comment ? Tout d’abord
en positionnant un système chimique près du zéro degré K c’ est déjà se fixer sur le niveau d’énergie électronique le plus bas
.Ensuite les auteurs choisissent des métaux alcalins K et Rb
pour que l’ orbitale électroniques
la plus externe ne renferme qu’un seul
électron célibataire ;ce qui diminue le nombre de collisions
avec les electrons internes ; mais sans les annuler complétement…
Les auteurs proposent l’étude de la formation du
complexe KRb a l’aide de 4
atomes et tels que :2K+2Rb>>>>2
KRB
Le graphique que je propose aux lecteurs simplifie
la représentation par le schéma à 2 atomes :K +Rb>>>KRb
mais l’on voit immédiatement que l’arborescence des probabilités se développe très
vite ( KK /RbRB /KRb/Rbavec seulement pour les electrons les plus externes etc …. Il reste bien entendu
ensuite a mesurer les niveaux expérimentaux prés du 0°K ….
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