花錢去解開植物的秘密

普林斯頓大學的William S. Tod 化學教授 格雷戈里·斯科爾斯懷疑，植物效率的關鍵源于它們利用量子物理學的能力，即非常小的粒子的不直觀行為。2010年，他領導的團隊展示了海洋藻類的量子效應。

但這一發(fā)現(xiàn)并非沒有爭議。量子行為通常在與實際干擾相隔離的極低溫度下顯現(xiàn)出來，引發(fā)了關于這些量子態(tài)是否能夠在溫暖潮濕的生活條件下存活的問題。

因此，斯科爾斯和他的團隊決定在一種最簡單的已知化學反應中探測量子行為，即氫原子從分子的一部分轉移到另一部分。如果他們的實驗成功，研究人員可以重寫我們對化學反應如何發(fā)生的理解。

量子理論的核心是物質可以像粒子和波浪一樣表現(xiàn)。如果我們在包含兩個狹縫的屏障上發(fā)射粒子，經典物理學預測粒子將落在兩個樁中，一個落在任一個縫隙之后。相比之下，量子力學預測每個粒子將像擴散波一樣通過兩個狹縫(見圖)，其中任何點的強度可以加在一起或取消自身。

自20世紀20年代以來，這種物質的量子性質被稱為疊加，已被預測和觀察，并幫助我們理解微觀世界。然而，這些量子思想尚未形成對化學反應的理解。

“這是我們試圖回答的重大問題，”斯科爾斯說。“我們能否利用量子力學為我們的化學工作?”

研究人員通過研究當光照射到可以經歷兩個獨立的氫轉移反應的分子時發(fā)生了什么，一個在分子的左側，一個在分子的右側，研究人員解決了這個問題。如果經典規(guī)則占優(yōu)勢，那么每個反應將一次一步地進行。如果涉及量子規(guī)則，左右反應都將發(fā)生在量子疊加中。

為了確定這是否正在發(fā)生，Scholes的團隊建立了一個實驗，在反應過程中拍攝分子的快照。在WM凱克基金會的資助下，研究人員用激光脈沖轟擊分子，激光脈沖將正常的混沌分子置于相同的量子節(jié)律中。研究生Ben Xinzi Zhang說：“我們用光來同步分子，使它們都跳到同一個節(jié)拍。”

接下來，為了確定分子是否確實處于疊加狀態(tài)，研究人員使用第二個激光脈沖。它使用快速爆發(fā)來監(jiān)視分子的狀態(tài)，這些爆發(fā)點亮了原子的位置，就像一個照亮舞者的閃光燈。

研究人員然后尋找添加和取消的反應途徑的模式，就像在雙縫實驗中一樣。“簽名將告訴我們這兩方是如何進行互動的，”該團隊的博士后研究員Kyra Schwarz說。

實驗結果尚未確定，但如果量子疊加在氫的轉移無處不在的反應中發(fā)揮作用，它可能成為自然界中許多過程的基礎。結果還可以重塑化學反應如何在不同學科中被概念化和理解，從而可以利用量子特性來控制和創(chuàng)造新的反應。