水素と希ガスの衝突で検出された量子効果

2023 年 6 月 5 日

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ベルリン自由大学著

量子物理学者クリスティアーネ・コッホ教授が率いるベルリン自由大学の研究チームは、水素分子がヘリウムやネオンなどの希ガス原子と衝突したときにどのように動作するかを実証した。 Science 誌に掲載された記事の中で、研究者らは、シミュレーションを使用して実験データと量子物理学の理論モデルの間の関連性をどのように引き出したかについて説明しています。

この研究には理論計算のほか、ドルトムント工科大学とイスラエルのワイツマン科学研究所で実施された原子や分子の実験で収集されたデータが含まれている。 研究チームは、量子力学の法則に基づいて、衝突によって分子の振動と回転の仕方が変化することを示すことができた。 量子力学の分野の研究は、今日の世界でも重要性を増し続けています。 このような発見は、携帯電話、テレビ、衛星の開発、および医療診断技術に応用できます。

ここで観察される量子効果は、フェシュバッハ共鳴として知られています。 「衝突後の短時間、水素分子と希ガス原子は化学結合を形成し、その後再び分離します」とベルリンフライ大学のコッホ教授は説明します。

しかし、比較的小型で単純な系に対して非常に詳細な測定と計算が行われたにもかかわらず、研究者らが水素と希ガスの衝突の完全な量子力学特性を再現できるようになるまでにはまだ長い道のりがあります。 「これは、量子力学の基本的な現象の 1 つによるものです。測定に関して言えば、古典物理学の基本原理を回避することはできません。それがジレンマを生み出します。私たちは、量子力学の特定の現象を数学的に記述することができます。」抽象的な用語ですが、それらを完全に理解するには古典物理学の概念を使用する必要があります」とコッホ氏は説明します。

量子効果 (古典物理学の規則では説明できないタイプの動作を意味します) は、原子や分子がそれらが占める場所や移動速度によって十分に説明できなくなったときに現れます。 「それらは、干渉などの波の分散と関連付けられる特性を示します。これは、波の建設的または破壊的な層を意味します」とコッホ氏は言います。 これに加えて、量子力学的物体が空間的に離れているにもかかわらず互いに直接的な影響を与えるときに起こる量子もつれなどの他の現象もあります。

量子効果は通常、原子や分子などの非常に小さな物体の領域で、これらの物体が環境からの影響をほとんど受けていない場合に現れます。 後者は、非常に短時間のバーストまたは絶対零度 (-273.15°C) に近い極度の低温下で達成されます。 「このような状況下では、これらの粒子が利用できるいわゆる量子状態はごくわずかです。システムは基本的に秩序ある方法で動作します」とコッホ氏は言う。

温度が高くなると、粒子内の量子状態の数が増加し、量子力学的効果は、さまざまな状態にわたる統計的平均として分布すると均一になる傾向があり、したがって本質的に見えなくなります。 この状態では、システムはよりランダムに動作し、統計を使用して説明できます。 これまでのところ、最も冷たい原子と分子の衝突でさえ、この統計的に予測可能な挙動を示しています。 「そのため、原子と分子の間の相互作用について結論を出すことはほぼ不可能になりました。つまり、現実の実験データと理論モデルを直接結び付けることができなかったのです」とコッホ氏は説明する。

詳しくは： Baruch Margulis et al、Feshbach 共鳴状態の断層撮影、Science (2023)。 DOI: 10.1126/science.adf9888

雑誌情報:科学

ベルリン自由大学提供