原子定格：科学家首次捕捉到水中的电子运动

原子定格：科学家首次捕捉到水中的电子运动2月15日，《科学》（Science）杂志报道了这一研究成果，它为研究液相分子的电子结构提供了一个新的视窗，而这种视窗的时间尺度是以前的X射线所无法达到的。这项新技术揭示了当目标被X射线击中时的即时电子反应，这是了解辐照对物体和人的影响的重要一步。这项研究的资深作者、阿贡国家实验室特聘研究员琳达-杨说："我们想研究的辐射诱导的化学反应是目标电子反应的结果，这种反应发生在阿秒时间尺度上。到目前为止，辐射化学家只能分辨皮秒级的事件，比阿秒级慢一百万倍。这有点像说'我出生了，然后我死了'。你想知道这中间发生了什么。这正是我们现在能够做到的。""我们开发的方法允许研究......辐射诱导过程产生的反应物，例如太空旅行、癌症治疗、核反应堆和遗留废物中遇到的反应物。"阿贡杰出研究员、芝加哥大学物理系和詹姆斯-弗兰克研究所教授琳达-杨介绍说。来自美国能源部多个国家实验室以及美国和德国多所大学的多机构科学家小组将实验与理论相结合，实时揭示了X射线源的电离辐射撞击物质时产生的后果。在发生作用的时间尺度上进行研究，将使研究小组能够更深入地理解复杂的辐射诱导化学反应。事实上，这些研究人员最初是为了开发必要的工具来了解长期暴露于电离辐射对核废料中化学物质的影响而走到一起的。这项研究得到了能源部赞助的放射性环境和材料界面动力学（IDREAM）能源前沿研究中心的支持，该中心总部设在太平洋西北国家实验室（PNNL）。水样照片：为了记录X射线辐射激发的电子运动，科学家们制作了一张约1厘米宽的液态水薄片，作为X射线光束的目标。图片来源：EmilyNienhuis太平洋西北国家实验室亚原子粒子的运动速度非常快，要捕捉它们的行动，需要一个能够以阿秒为单位测量时间的探测器，阿秒的时间范围非常小，以至于一秒钟中的阿秒比宇宙历史上已经度过的秒数还要多。目前的研究以获得2023年诺贝尔物理学奖的新科学--阿秒物理学为基础。阿秒X射线脉冲仅在全球少数几个专业设施中可用。该研究团队在位于加利福尼亚州门洛帕克的SLAC国家加速器实验室的里纳克相干光源（LCLS）进行了实验工作，当地团队率先在这里开发了阿秒X射线自由电子激光器。来自SLAC国家加速器实验室的阿戈-马里内利（AgoMarinelli）说："阿秒时间分辨实验是里纳克相干光源的旗舰研发项目之一，"他与詹姆斯-克赖恩（JamesCryan）共同领导了此次实验所使用的一对同步X射线阿秒泵浦/探针脉冲的开发工作。"看到这些研发成果被应用于新型实验，并将阿秒科学带入新的发展方向，我们感到非常兴奋"。2022年6月，团队成员在SLAC国家加速器实验室里纳相干光源的控制室。从左至右：SLAC的DavidJ.Hoffman、阿贡国家实验室（ANL）和芝加哥大学的KaiLi、西北太平洋国家实验室IDREAM主任CarolynPearce、SLAC的Ming-FuLin和ANL的ShuaiLi。图片来源：CarolynPearce太平洋西北国家实验室这项研究中开发的技术--液体中的全X射线阿秒瞬态吸收光谱，使他们能够"观察"被X射线激发的电子进入激发态的过程，而这一切都发生在体积更大的原子核有时间移动之前。他们选择液态水作为实验的试验品。芝加哥大学物理系和詹姆斯-弗兰克研究所教授杨说："我们现在有了一种工具，原则上可以跟踪电子的运动，实时看到新电离分子的形成。"这些新报告的发现解决了一个长期存在的科学争论，即在以前的实验中看到的X射线信号是否是水或氢原子动态的不同结构形状或"图案"的结果。这些实验最终证明，这些信号并不是环境液态水中两种结构模式的证据。杨说："基本上，人们在以前的实验中看到的是氢原子运动造成的模糊。我们在原子有时间移动之前进行了所有的记录，从而消除了这种移动"。研究人员将目前的研究视为阿秒科学全新方向的开端。为了实现这一发现，PNNL的实验化学家与阿贡和芝加哥大学的物理学家、SLAC的X射线光谱专家和加速器物理学家、华盛顿大学的理论化学家，以及德国汉堡超快成像中心和德国电子同步加速器（DESY）自由电子激光科学中心（CFEL）的阿秒科学理论家合作。在2021年至2022年全球大流行期间，PNNL团队利用在SLAC开发的技术，在X射线泵脉冲路径上喷射出一片超薄的纯水。PNNL的早期职业化学家艾米丽-尼恩胡斯（EmilyNienhuis）说："我们需要一个漂亮、平整、薄的水片，在那里我们可以聚焦X射线。这种能力是在LCLS开发出来的。在PNNL，Nienhuis演示了这种技术也可用于研究IDREAMEFRC核心的特定浓缩溶液，并将在下一阶段的研究中进行调查。"收集到X射线数据后，来自华盛顿大学的理论化学家李晓松和研究生卢立新运用他们解释X射线信号的知识，再现了在SLAC观察到的信号。由理论家罗宾-桑特拉（RobinSantra）领导的CFEL小组建立了液态水对阿秒X射线响应的模型，以验证观测到的信号确实局限于阿秒时间尺度。"利用华盛顿大学的Hyak超级计算机，我们开发出了一种尖端的计算化学技术，能够详细描述水的瞬态高能量子态，"华盛顿大学LarryR.Dalton化学讲座教授、PNNL实验室研究员李说。"这一方法学上的突破在量子层面理解超快化学转化方面取得了举足轻重的进展，其准确性和原子级细节都非常出色。"首席研究员杨发起了这项研究并监督其实施，第一作者和博士后ShuaiLi在现场领导了这项研究。阿贡的物理学家吉勒-杜米（GillesDoumy）和芝加哥大学的研究生李凯（KaiLi）是进行实验和分析数据的团队成员。阿贡纳米材料中心是美国能源部科学办公室的用户设施，该中心帮助鉴定了水片喷射目标的特性。研究团队一起窥探了液态水中电子的实时运动，而世界上的其他地方却静止不动。杨说："我们开发的方法允许研究辐射诱导过程产生的活性物种的起源和演化，例如太空旅行、癌症治疗、核反应堆和遗留废物中遇到的活性物种。"编译自/scitechdaily...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1418733.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1418733.htm

量子混杂：与黑洞相媲美的化学反应

量子混杂：与黑洞相媲美的化学反应然而，莱斯大学理论家彼得-沃林（PeterWolynes）和伊利诺伊大学香槟分校的合作者的最新研究表明，分子在扰乱量子信息方面可以像黑洞一样强大。他们结合黑洞物理学和化学物理学的数学工具，证明量子信息扰乱发生在化学反应中，几乎可以达到与黑洞相同的量子力学极限。这项研究成果在线发表在《美国国家科学院院刊》上。Wolynes说："这项研究解决了化学物理学中一个长期存在的问题，即量子信息在分子中的扰乱速度有多快。当人们考虑两个分子结合在一起的反应时，他们认为原子只进行单一的运动，即形成一个键或断开一个键。但从量子力学的角度来看，即使是一个非常小的分子也是一个非常复杂的系统。就像太阳系中的轨道一样，分子也有大量可能的运动方式--我们称之为量子态。当发生化学反应时，关于反应物量子态的量子信息会变得混乱，我们想知道信息混乱是如何影响反应速率的。"张成浩（左）和SohangKundu。图片来源：BillWiegand/伊利诺伊大学香槟分校提供的张成浩照片；SohangKundu提供的Kundu照片为了更好地理解量子信息是如何在化学反应中被扰乱的，科学家们借用了一种通常用于黑洞物理学的数学工具，即时序外相关器（OTOCs）。"OTOC实际上是在55年前的一个非常不同的背景下发明的，当时它们被用来研究超导体中的电子如何受到杂质干扰的影响，"Wolynes说。"它们是超导理论中使用的一种非常特殊的物体。接下来，物理学家在20世纪90年代研究黑洞和弦理论时也使用了它们。"OTOCs测量的是在某一时刻对量子系统的某一部分进行调整会对其他部分的运动产生多大影响--让人们深入了解信息在整个分子中传播的速度和效率。它们是莱普诺夫指数的量子类似物，莱普诺夫指数用于测量经典混沌系统的不可预测性。伊利诺伊大学香槟分校的化学家马丁-格鲁贝莱（MartinGruebele）是这项研究的合著者之一，他是美国国家科学基金会资助的莱斯-伊利诺伊联合缺陷适应中心（Rice-IllinoisCenterforAdaptingFlawsasFeatures）的成员。他介绍说："化学家对化学反应中的扰动非常矛盾，因为要达到反应目标，扰动是必要的，但它也会扰乱对反应的控制。了解分子在什么情况下会扰乱信息，在什么情况下不会扰乱信息，可以让我们更好地控制反应。了解OTOCs基本上可以让我们设定限制，什么时候这种信息真的会消失，不受我们控制，反之，什么时候我们仍然可以利用它来获得可控的结果。"PeterWolynes（左起）、NancyMakri和MartinGruebele。图片来源：Wolynes的照片由GustavoRaskosky/莱斯大学提供；Makri的照片由NancyMakri提供；Gruebele的照片由FredZwicky/伊利诺伊大学香槟分校提供。在经典力学中，粒子必须具有足够的能量来克服能量障碍才能发生反应。然而，在量子力学中，即使粒子不具备足够的能量，它们也有可能"隧穿"这一障碍。对OTOC的计算表明，在低温条件下，隧穿占主导地位的低活化能化学反应几乎可以在量子极限上扰乱信息，就像黑洞一样。南希-马克里（NancyMakri）也是伊利诺伊香槟分校的化学家，她利用自己开发的路径积分法研究了当简单的化学反应模型嵌入一个更大的系统（可能是大分子自身的振动或溶剂）时会发生什么情况，并倾向于抑制混沌运动。Makri说："在另一项研究中，我们发现大环境往往会让事情变得更有规律，并抑制我们所说的影响。因此，我们计算了与大环境相互作用的隧道系统的OTOC，我们看到的是，扰动被熄灭了--行为发生了很大变化。"研究成果的一个实际应用领域是限制如何利用隧道系统构建量子计算机的量子比特。我们需要尽量减少相互作用的隧道系统之间的信息干扰，以提高量子计算机的可靠性。这项研究还与光驱动反应和先进材料设计有关。Gruebele说："我们有可能将这些想法扩展到这样的过程中：在这样的过程中不会只在一个特定的反应中进行隧穿，而是会有多个隧穿步骤，因为这就是涉及到电子传导的过程，例如，很多新型软量子材料，如用于制造太阳能电池和类似材料的过氧化物。"编译来源：ScitechDaily...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1427285.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1427285.htm

能源科学家解释了导致金薄膜光致发光的量子力学效应

能源科学家解释了导致金薄膜光致发光的量子力学效应1969年，科学家们发现所有金属都会在一定程度上发光，但在这之后的数年中，人们一直未能清楚地了解这种现象是如何发生的。在纳米级温度测绘和光化学应用的推动下，人们对这种发光现象重新产生了兴趣，并再次围绕其起源展开了讨论。但直到现在，答案仍不明确。工程学院能源技术纳米科学实验室（LNET）主任GiuliaTagliabue说："我们开发出了非常高质量的金属金膜，这使我们处于一个独特的位置来阐明这一过程，而不受以往实验的干扰因素影响。"在最近发表于《光：科学与应用》（Light:ScienceandApplications）的研究中，Tagliabue和LNET团队将激光束聚焦在极薄（介于13纳米和113纳米之间）的金膜上，然后分析了由此产生的微弱光晕。他们的精确实验所产生的数据是如此详细，又是如此出人意料，以至于他们与巴塞罗那科技学院、南丹麦大学和美国伦斯勒理工学院的理论家合作，重新研究并应用量子力学建模方法。光致发光是由电子及其带相反电荷的对应物（空穴）在光的作用下的特定行为方式所决定的。这也让他们首次在金中建立了关于这种现象的完整、完全定量的模型，该模型可应用于任何金属。Tagliabue解释说，研究小组利用一种新型合成技术生产的单晶金薄膜，研究了金属越来越薄时的光致发光过程。她说："我们观察到某些量子力学效应在高达约40纳米的薄膜中出现，这出乎我们的意料，因为对于金属来说，通常要到10纳米以下才会出现这种效应。"这些观测结果提供了有关金中光致发光过程确切发生位置的关键空间信息，而这正是将金属用作探针的先决条件。研究的另一个意外成果是发现金的光致发光（Stokes）信号可用于探测材料自身的表面温度，这对从事纳米级研究的科学家来说是一大福音。"对于金属表面的许多化学反应，人们一直在争论这些反应发生的原因和条件。温度是一个关键参数，但在纳米尺度测量温度非常困难，因为温度计会影响测量结果。因此，利用材料本身作为探针来探测材料具有巨大的优势，"Tagliabue说。研究人员相信，他们的发现将使人们能够利用金属对化学反应，尤其是涉及能源研究的化学反应获得前所未有的详细了解。金和铜（LNET的下一个研究目标）等金属可以引发某些关键反应，比如将二氧化碳（CO2）还原成太阳能燃料等碳基产品，太阳能燃料可以将太阳能储存在化学材料中。该研究的第一作者、LNET博士后艾伦-鲍曼（AlanBowman）说："为了应对气候变化，我们将需要以某种方式将二氧化碳转化为其他有用化学物质的技术。使用金属是一种方法，但如果我们不能很好地了解这些反应是如何在其表面发生的，那么我们就无法对其进行优化。发光为了解这些金属中发生的情况提供了一种新方法"。编译来源：ScitechDaily...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1429052.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1429052.htm

科学实验首次寻找到"量子超化学"现象存在的直接证据

科学实验首次寻找到"量子超化学"现象存在的直接证据在量子尺度上会出现各种诡异的行为。原子可以同时以多种状态存在，纠缠在一起，以至于它们可以在任何距离上瞬间共享信息，或者穿越它们本不应该穿越的障碍。科学家们正试图利用这些现象来实现更强大的计算、通信系统和其他技术。现在，一个研究小组首次发现了先前预测的量子效应的直接证据，这种效应被称为超化学效应。它始于一种被称为玻色-爱因斯坦凝聚态的奇异物质状态，在这种状态下，一团原子被冷却到几乎绝对零度，使它们进入相同的量子态，并开始表现得像一个大原子。有人提出，哄骗处于这种状态的原子进行化学反应，会产生与通常不同的结果。在经典化学中，混合物中的原子会发生随机碰撞，每次碰撞都有可能使它们连接起来形成分子。但如果原子都处于相同的量子态，它们现在反而会一起行动。这项研究的首席研究员程钦说："不能再把化学反应看作是独立粒子之间的碰撞，这是一个集体过程。所有的粒子都在一起，作为一个整体进行反应"。共同通讯作者张振东（左）和程钦教授与帮助他们首次观察量子超化学的实验室设备在实验中，研究人员将铯原子冷却到所需的极端温度，然后将它们哄骗到相同的量子态。果然，这些原子似乎正在以一种类似超化学的方式形成分子。这一过程有一些不同于普通化学的结果。首先，由于原子是一起作用的，反应发生得更快--系统中的原子越多，反应速度就越快。研究小组说，最终生成的分子都具有相同的状态，这有助于比传统化学更可靠地生成大批量相同的分子。在这一过程中，研究小组还发现了一个奇怪现象的证据--三体相互作用比二体相互作用发生得更频繁。从本质上讲，三个原子会发生碰撞，其中两个原子连接起来形成分子，而第三个原子则以某种方式帮助这一过程。这一突破有助于为量子化学、量子计算和帮助科学家研究物理定律等新技术铺平道路。到目前为止，这项超级化学研究只在双原子分子中进行，但研究小组计划将这项工作扩展到更复杂的分子中。"我们所看到的与理论预测一致，"Chin说。"这是20年来的科学目标，所以这是一个非常激动人心的时代。"这项研究发表在《自然-物理》杂志上。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1375667.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1375667.htm

研究人员发现利用量子光探测量子声音的开创性方法

研究人员发现利用量子光探测量子声音的开创性方法最近发表在《物理评论快报》（PhysicalReviewLetters）杂志上的一项研究揭示了分子振动与光粒子（即光子）之间的量子力学相互作用。希望这一发现能帮助科学家更好地理解光与物质在分子尺度上的相互作用。量子效应在从新量子技术到生物系统等各种应用中的重要性的基本问题铺平了道路。UEA物理学院的马格努斯-博格（MagnusBorgh）博士说："化学物理学界对光粒子的能量在分子内传递过程的性质长期存在争议。从根本上说，它们是量子力学还是经典力学？分子是复杂而混乱的系统，不断振动。这些振动如何影响分子中的任何量子力学过程？""对这些过程的研究通常使用依赖偏振的技术--这与太阳镜中用于减少反射的光的特性相同。但这是一种经典现象。量子光学是研究光的量子性质及其与原子尺度物质相互作用的物理学领域，它的技术可以提供一种直接研究分子系统中真正量子效应的方法。"光子相关性在量子行为中的意义通过研究置于激光场中的分子发出的光的相关性，可以揭示量子行为。相关性回答了两个光子发射距离很近的可能性有多大的问题，并可使用标准技术进行测量。UEA理论化学博士生本-汉弗莱斯（BenHumphries）说："我们的研究表明，当分子与周围环境交换声子（量子力学的声音粒子）时，会在光子相关性中产生可识别的信号。"虽然光子在世界各地的实验室中都能被常规地产生和测量，但单个的量子振动，也就是相应的声音粒子--声子，一般无法进行类似的测量。新发现为研究分子中的量子声音世界提供了一个工具箱。首席研究员、UEA化学学院的加思-琼斯（GarthJones）博士说："我们还计算了光子和声子之间的相关性。他补充说："如果我们的论文能够启发人们开发新的实验技术，直接探测单个声子，那将是非常令人兴奋的。"...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1392893.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1392893.htm

吴金闪教授：量子力学无基础入门

名称：吴金闪教授：量子力学无基础入门描述：吴金闪教授的量子力学无基础入门课程是一门为初学者设计的量子力学入门课程。该课程从基础的物理现象出发，深入浅出地讲解量子力学的核心概念，帮助学生理清神秘量子现象，理解量子力学的基本原理和应用。在课程中，吴金闪教授会介绍量子力学中的一些核心概念，如不确定性原理、波函数和量子态、超位置和量子纠缠、量子隧道效应等。不确定性原理指出，在测量微观粒子的位置和动量时，无法同时准确确定两者的数值，即粒子的位置和动量具有不确定性。波函数是描述微观粒子状态的数学函数，通过它可以计算粒子在不同状态下的概率分布。而量子态则是描述系统整体状态的概念，由波函数完全确定。链接：https://pan.quark.cn/s/d24f03312d67大小：3.0GB标签：#学习#量子力学#基础#入门#吴金闪教授#quark频道：@yunpanshare群组：@yunpangroup