In Laboren sind Chemiker es gewohnt, Reaktionen auf Katalysatoroberflächen als klassischen Prozess zu betrachten: Moleküle kollidieren, tauschen Elektronen aus und bilden neue Substanzen. Eine neue gemeinsame Arbeit von Wissenschaftlern der University of Nottingham und Harvard stellt diese Vereinfachung jedoch in Frage.
Professor Gerardo Adesso von der School of Mathematical Sciences in Nottingham hat zusammen mit den Kolleginnen Melissa Mather und Anabel Lanterna eine Förderung im Rahmen des gemeinsamen Programms von UKRI und der US-amerikanischen National Science Foundation erhalten. Den amerikanischen Teil leiten die Professoren Junho Lee und Xuyang Xu. Das Gesamtbudget des Projekts „Entanglement Witness of Heterogeneous Surface Reactions“ wird etwa 550 Tausend Pfund für Nottingham und 700 Tausend Dollar für Harvard betragen. Die Forschung wird drei Jahre dauern, beginnend im Oktober 2026.
Quantenverschränkung ist ein Zustand, in dem die Eigenschaften von Teilchen auch über eine Entfernung hinweg verbunden bleiben. Unter normalen Bedingungen zerstört die Umgebung solche Korrelationen schnell, und Chemiker beschreiben Reaktionen ohne Berücksichtigung von Quanteneffekten. Das Team wird prüfen, ob Verschränkung in realen heterogenen Reaktionen an Oberflächen erhalten bleibt und ob sie deren Verlauf beeinflusst.
Dazu werden die Wissenschaftler drei Ansätze kombinieren: nanoskalige Quantensensorik mit Stickstoff-Fehlstellen-Zentren in Diamant, Methoden der Quanteninformationstheorie zur Bestätigung von Verschränkung und Ab-initio-Berechnungen offener Quantensysteme. Wenn sich die Korrelationen tatsächlich als quantenmechanisch und nicht klassisch erweisen, würde dies das Verständnis der Katalyse verändern.
Die Ergebnisse könnten zur Entwicklung neuer Werkzeuge für die Untersuchung von Katalysator- und Magnetmaterialien führen. Perspektivisch eröffnen sich Wege zu effizienteren Prozessen in der Photokatalyse, Energieumwandlung und Quantentechnologien, die bereits die Produktion von Düngemitteln, die Reinigung von Abgasen und die Entwicklung von Solarzellen beeinflussen.
Das Projekt wird auch die Zusammenarbeit zwischen Großbritannien und den USA stärken, indem es Postdoktoranden in den mathematischen und chemischen Wissenschaften unterstützt. Experimente und Simulationen werden parallel in beiden Ländern durchgeführt, was die Überprüfung von Hypothesen beschleunigt.
Wenn Verschränkung tatsächlich an chemischen Umwandlungen beteiligt ist, müssen die üblichen Beschreibungen von Reaktionen ernsthaft überdacht werden.
