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Les réactions chimiques rivalisent avec les trous noirs

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Les réactions chimiques rivalisent avec les trous noirs

Les scientifiques ont découvert que les particules brouillent les informations quantiques à des vitesses similaires à celles des trous noirs, affectant les réactions chimiques et offrant des informations sur le contrôle des systèmes informatiques quantiques. Crédit : SciTechDaily.com

Des recherches menées par l'Université Rice et l'Université de l'Illinois à Urbana-Champaign ont montré que les particules peuvent brouiller les informations quantiques aussi efficacement que les trous noirs, ce qui a des implications pour la physique et la physique chimique. Statistiques quantitatives.

Si vous deviez lancer un message dans une bouteille à… Le trou noir, toutes les informations qu'il contient, jusqu'au niveau quantique, seraient complètement brouillées. Parce que ce brouillage se produit dans les trous noirs avec la vitesse et la précision permises par la mécanique quantique, ils sont généralement considérés comme les meilleurs brouilleurs d'informations de la nature.

Cependant, de nouvelles recherches menées par Peter Wollens, théoricien de l'Université Rice, et ses collaborateurs de l'Université de l'Illinois à Urbana-Champaign ont montré que les particules peuvent être aussi massives pour mélanger l'information quantique que les trous noirs. En combinant des outils mathématiques issus de la physique des trous noirs et de la physique chimique, ils ont montré que le brouillage de l'information quantique se produit dans les réactions chimiques et peut atteindre presque la même limite mécanique quantique que dans les trous noirs. L'ouvrage est publié en ligne sur Actes de l'Académie nationale des sciences.

Réactions chimiques et brouillage quantitatif

« Cette étude aborde un problème de longue date en physique chimique, qui concerne la rapidité avec laquelle les informations quantiques sont mélangées dans les molécules », a déclaré Wollinis. « Quand les gens pensent à une réaction dans laquelle deux molécules se lient ensemble, ils pensent aux atomes effectuant un seul mouvement où une liaison se forme ou une liaison se rompt.

« Mais du point de vue de la mécanique quantique, même une très petite molécule est un système très complexe. Comme pour les orbites du système solaire, une molécule a un grand nombre de modes de mouvement possibles – ce que nous appelons des états quantiques. Quand une réaction chimique se produit, les informations quantiques sur les états quantiques deviennent. Les réactifs sont brouillés et nous voulons savoir comment les informations de brouillage affectent la vitesse de réaction.

Qinghao Zhang et Suhang Kundu

Qinghao Zhang (à gauche) et Suhang Kundu. Crédit : photo Zhang par Bill Wiegand/Université de l'Illinois Urbana-Champaign ; Photo de Kondo gracieuseté de Sohang Kondo

Pour mieux comprendre comment les informations quantiques sont mélangées dans les réactions chimiques, les scientifiques ont emprunté un outil mathématique couramment utilisé en physique des trous noirs, appelé corrélations hors du temps, ou OTOC.

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« Les OTOC ont en fait été inventés dans un contexte complètement différent il y a environ 55 ans, lorsqu'ils étaient utilisés pour étudier comment les électrons des supraconducteurs sont affectés par les perturbations causées par les impuretés », a déclaré Wollinis. « C'est un objet très spécialisé utilisé dans la théorie de la supraconductivité. Il a ensuite été utilisé par les physiciens dans les années 1990 lors de l'étude des trous noirs et de la théorie des cordes. « 

Les OTOC mesurent comment la modification d'une partie d'un système quantique à un moment donné affecte les mouvements des autres parties, ce qui donne un aperçu de la rapidité et de l'efficacité avec laquelle les informations se propagent dans la molécule. C'est la contrepartie quantitative des exposants de Lyapunov, qui mesurent l'imprévisibilité des systèmes chaotiques classiques.

« La rapidité avec laquelle l'OTOC augmente au fil du temps vous indique la rapidité avec laquelle les informations sont mélangées dans un système quantique, ce qui signifie combien d'états aléatoires sont accédés », a déclaré Martin Grubel, chimiste à l'Université de l'Illinois à Urbana-Champaign et co-auteur de l'étude. projet de recherche. L'étude, qui fait partie du Centre commun Rice-Illinois pour l'adaptation des défauts en tant qu'avantages, a été financée par la National Science Foundation. « Les chimistes sont très opposés au sujet du brouillage dans les réactions chimiques, car le brouillage est nécessaire pour atteindre la cible de la réaction, mais il pervertit également votre contrôle sur la réaction.

« Comprendre les conditions dans lesquelles les molécules brouillent les informations, et les conditions dans lesquelles il est peu probable qu'elles le fassent, nous donne la possibilité de mieux contrôler les interactions. Connaître les OTOC nous permet essentiellement de fixer des limites au moment où ces informations disparaissent réellement hors de notre contrôle, et à l’inverse, c’est-à-dire quand nous pouvons encore l’exploiter pour obtenir des résultats contrôlés.

Peter Wollinis, Nancy MacRae et Martin Grubel

Peter Wollinis (de gauche à droite), Nancy Macri et Martin Groppelli. Crédit : photo Wolinis par Gustavo Raskoski/Université de Rice ; Photo de McCrary, gracieuseté de Nancy McCrary ; Photo Groppeli par Fred Zwicky/Université de l'Illinois Urbana-Champaign

En mécanique classique, une particule doit avoir suffisamment d’énergie pour surmonter la barrière énergétique pour que la réaction se produise. Cependant, en mécanique quantique, il existe une possibilité que des particules puissent « passer » à travers cette barrière même si elles ne disposent pas de suffisamment d’énergie. Le calcul des OTOC a montré que les réactions chimiques avec une faible énergie d'activation à basse température, où l'effet tunnel domine, peuvent brouiller les informations presque à la limite quantique, comme un trou noir.

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Nancy Macri, également chimiste à l'Université de l'Illinois à Urbana-Champaign, a utilisé les méthodes d'intégration de chemin qu'elle a développées pour étudier ce qui se passe lorsqu'un simple modèle de réaction chimique est intégré dans un système plus vaste, qui pourrait être les vibrations d'une grosse molécule ou d'un solvant. et tend à supprimer les mouvements chaotiques.

« Dans une étude distincte, nous avons constaté que les environnements plus grands ont tendance à rendre les choses plus irrégulières et à supprimer les effets dont nous parlons », a déclaré Macri. « Nous avons donc calculé l'OTOC d'un système de tunnel interagissant avec un vaste environnement, et ce que nous avons constaté, c'est que les bousculades étaient supprimées – un changement de comportement significatif. »

Applications pratiques et recherches futures

L’un des domaines d’application pratique des résultats de la recherche consiste à fixer des limites à la manière dont les systèmes de tunneling peuvent être utilisés pour créer des qubits pour les ordinateurs quantiques. Il faut réduire le mélange d’informations entre les systèmes de tunneling en interaction pour améliorer la fiabilité des ordinateurs quantiques. La recherche pourrait également être pertinente pour les réactions dépendantes de la lumière et la conception de matériaux avancés.

« Il est possible d'étendre ces idées à des processus dans lesquels vous n'effectuerez pas seulement un effet tunnel dans une réaction donnée, mais où vous aurez plusieurs étapes d'effet tunnel, car c'est ce qui implique, par exemple, la conduction électronique dans de nombreux nouveaux matériaux mous,  » Groppeli a déclaré. « Les matériaux quantiques comme les pérovskites sont utilisés pour fabriquer des cellules solaires et des choses comme ça. »

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Référence : « Quantum Information Scrambling and Chemical Reactions » par Zhenghao Zhang, Sohang Kundu, Nancy Macri, Martin Groppeli et Peter J. Woolness, 1er avril 2024, Actes de l'Académie nationale des sciences.
est ce que je: 10.1073/pnas.2321668121

Wolinis est professeur de sciences à la Dr. Pollard Welsh Foundation à Rice, professeur de chimie, de biochimie, de biologie cellulaire, de physique, d'astronomie, de science des matériaux et de nano-ingénierie et codirecteur du Centre de biophysique théorique, financé par le National Science. Fondation. institution. Co-auteurs Gruebele est titulaire de la chaire James R. Eiszner en chimie. Macri est professeur Edward William et Jane Marr Gutgessel et professeur de chimie et de physique. Qinghao Zhang était étudiant diplômé en physique à l'Université de l'Illinois à Urbana-Champaign et est maintenant étudiant postdoctoral au Pacific Northwest National Laboratory. Sohang Kundu a récemment obtenu son doctorat. Il a obtenu son doctorat en chimie de l'Université de l'Illinois et est actuellement étudiant postdoctoral à Université de Colombie.

La recherche a été soutenue par la National Science Foundation (1548562, 2019745, 1955302) et la chaire Pollard Welch de Rice (C-0016).

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Les nuages ​​de poussière issus de l’exploitation minière en haute mer parcourent de longues distances – Recherche

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Les nuages ​​de poussière issus de l’exploitation minière en haute mer parcourent de longues distances – Recherche

Halbom a noté que l’exploitation minière en haute mer pourrait avoir lieu à des profondeurs en dessous desquelles la vie n’a pas encore été décrite.

Entre autres choses, le limon des fonds marins, qui sera remué lors de l’extraction des nodules de manganèse, constitue une préoccupation majeure. Étant donné que la vie dans les profondeurs marines est largement inconnue, l’assombrissement des eaux créera des effets totalement inconnus.

Pour ses recherches, Halbom a mené des expériences en utilisant différents instruments pour mesurer la quantité et la taille des particules en suspension dans l’eau. Au fond du Clarion-Clipperton Tract, une vaste zone située au fond de l’océan Pacifique, elle a effectué des mesures avec ces instruments avant et après avoir traîné un réseau de 500 kilogrammes de chaînes en acier sur le fond.

Le scientifique a noté : « La première chose qui attire votre attention lorsque vous effectuez des mesures dans cette zone est la clarté inimaginable de l’eau qui est naturellement. » « Après avoir tiré les chaînes d’avant en arrière sur 500 mètres, la grande majorité des matériaux agités se sont déposés en seulement quelques centaines de mètres. Cependant, nous avons également constaté qu’une petite partie des matériaux de fond agités était encore visible à des centaines de mètres. le site de test. » mètres au-dessus du fond et l’eau était plus sombre que d’habitude sur de longues distances depuis le site de test.

Dans une étude de suivi, à laquelle Halbom n’a pas participé, des « nuages ​​​​de poussière » étaient visibles même jusqu’à cinq kilomètres du site d’essai.

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Les entreprises qui se disputent des concessions pour extraire des minéraux des fonds marins exploitent les résultats de ces expériences préliminaires comme une indication de l’impact réduit de l’exploitation minière en eaux profondes sur la vie au fond des mers. Cependant, cela est injustifié, a déclaré Henko de Stegter, co-promoteur des recherches de Halbom et océanographe à l’Institut royal néerlandais de recherche marine.

« Certes, sur la base de cette recherche doctorale et également des recherches ultérieures, nous savons que la grande majorité de la poussière se dépose rapidement », a-t-il ajouté. « Mais si l’on prend en compte la pureté habituelle de cette eau et de cette vie. en haute mer dépend d’une nourriture extrêmement rare dans l’eau, « Cette dernière partie peut avoir un impact important ».

Halbom et De Stegter appellent à davantage de recherches avant de faire des déclarations fermes sur l’impact de l’exploitation minière en haute mer.

« Il est vraiment trop tôt pour dire à ce stade à quel point ce dernier morceau de poussière qui pourrait se propager sur de si grandes distances pourrait être nocif ou nocif », a souligné De Stegter.

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Un concept de fusée à plasma pulsé financé par la NASA vise à envoyer des astronautes sur Mars d’ici deux mois

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Un concept de fusée à plasma pulsé financé par la NASA vise à envoyer des astronautes sur Mars d’ici deux mois

Un système de fusée innovant pourrait révolutionner les futures missions spatiales lointaines vers Mars, en réduisant leur nombre temps de voyage Sur la Planète Rouge pour quelques mois seulement.

L’objectif de faire atterrir des humains sur Mars a présenté une myriade de défis, notamment la nécessité de transporter rapidement de grosses charges utiles vers et depuis la planète lointaine, ce qui, selon l’emplacement de la Terre et de Mars, prendrait environ deux ans pour un aller-retour en utilisant technologie de propulsion actuelle.

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Les scientifiques pensent avoir découvert la source des « circuits radio individuels »

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Les scientifiques pensent avoir découvert la source des « circuits radio individuels »

Au cours des cinq dernières années, les astronomes ont découvert un nouveau type de phénomène astronomique qui existe à grande échelle, plus grande que des galaxies entières. Appelés ORC (circuits radio individuels), ils ressemblent à des anneaux géants d’ondes radio s’étendant vers l’extérieur comme une onde de choc.

Jusqu’à présent, les ORC n’ont jamais été observés à d’autres longueurs d’onde que la radio, mais selon une nouvelle… papier Libérés le 30 avril 2024, les astronomes ont capturé pour la première fois des rayons X associés à ORC.

Cette découverte fournit de nouveaux indices sur ce qui pourrait se cacher derrière la création de l’ORC.

Alors que de nombreux événements astronomiques, tels que les explosions de supernova, peuvent laisser des restes circulaires, les ORC semblent nécessiter une explication différente.

« L’énergie nécessaire pour produire une émission radio aussi étendue est très puissante », a déclaré Israa Bulbul, auteur principal de la nouvelle recherche. « Certaines simulations peuvent reproduire leurs formes mais pas leurs densités. Aucune simulation n’explique comment les ORC sont créés. »

Les ORC peuvent être difficiles à étudier, en partie parce qu’ils ne sont généralement visibles qu’aux longueurs d’onde radio. Ils n’ont jamais été associés à des émissions de rayons X ou d’infrarouges, et il n’y a aucun signe d’eux aux longueurs d’onde optiques.

Parfois, les ORC entourent une galaxie visible, mais pas toujours (huit ont été découverts jusqu’à présent autour de galaxies elliptiques connues).

À l’aide du télescope XMM-Newton de l’ESA, Bulbul et son équipe ont observé l’un des ORC connus les plus proches, un objet appelé Cloverleaf, et ont découvert une composante de rayons X frappante de cet objet.

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Cette image multi-longueurs d’onde de l’ORC Cloverleaf (circuit radio unique) combine les observations de lumière visible de l’ancienne enquête DESI (Dark Energy Spectral Analyser) en blanc et jaune, les rayons X de XMM-Newton en bleu et la radio d’ASKAP (Australien). Carré) Matrice de kilomètres Pathfinder) en rouge. (X. Zhang et M. Kluge/MPE/B. Koribalski/CSIRO)

« C’est la première fois que quelqu’un voit l’émission de rayons X associée à un ORC », a déclaré Bulbul. « C’était la clé manquante pour percer le secret de la Formation Cloverleaf. »

Une radiographie d’une feuille de trèfle montre un gaz qui a été chauffé et déplacé par un processus. Dans ce cas, les émissions de rayons X révèlent deux amas de galaxies (environ une douzaine de galaxies au total) qui ont commencé à fusionner à l’intérieur de la feuille de trèfle, chauffant le gaz à 15 millions de degrés Fahrenheit.

Les fusions chaotiques de galaxies sont intéressantes, mais elles ne peuvent pas expliquer à elles seules une feuille de trèfle. Les fusions de galaxies se produisent dans tout l’univers, tandis que les ORC sont un phénomène rare. Il y a quelque chose d’unique qui se passe pour créer quelque chose comme Cloverleaf.

« Les processus de fusion constituent l’épine dorsale de la formation de la structure, mais il y a quelque chose de spécial dans ce système qui déclenche l’émission radio », a déclaré Bulbul. « Nous ne pouvons pas savoir de quoi il s’agit pour l’instant, nous avons donc besoin de données plus nombreuses et plus approfondies provenant à la fois des radiotélescopes et des télescopes à rayons X. »

Cela ne veut pas dire que les astronomes n’ont aucune idée.

« Un aperçu fascinant du signal radio puissant est que les trous noirs supermassifs résidents ont connu des épisodes d’activité intense dans le passé et que les électrons restants de cette activité ancienne ont été réaccélérés par cet événement de fusion », a déclaré Kim Weaver, scientifique du projet de la NASA, à XMM. -Newton.

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En d’autres termes, les ORC comme Cloverleaf peuvent nécessiter une histoire d’origine en deux parties : de puissantes émissions provenant de trous noirs actifs et supermassifs, suivies d’ondes de choc de fusion de galaxies qui donnent un deuxième coup de pouce à ces émissions.

Cet article a été initialement publié par L’univers aujourd’hui. est en train de lire Article original.

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