In laboratoria zijn chemici gewend om reacties op katalysatoroppervlakken als een klassiek proces te beschouwen: moleculen botsen, wisselen elektronen uit en vormen nieuwe stoffen. Een nieuwe gezamenlijke studie van wetenschappers van de Universiteit van Nottingham en Harvard plaatst echter vraagtekens bij deze vereenvoudiging.
Professor Gerardo Adesso van de School of Mathematical Sciences in Nottingham heeft samen met collega's Melissa Mather en Anabel Lanterna financiering ontvangen via het gezamenlijke programma van UKRI en de Amerikaanse National Science Foundation. Het Amerikaanse deel wordt geleid door professoren Junho Lee en Xuyang Xu. Het totale budget van het project 'Entanglement Witness of Heterogeneous Surface Reactions' bedraagt ongeveer 550 duizend pond voor Nottingham en 700 duizend dollar voor Harvard. Het onderzoek duurt drie jaar, te beginnen in oktober 2026.
Kwantumverstrengeling is een toestand waarin eigenschappen van deeltjes verbonden blijven, zelfs op afstand. Onder normale omstandigheden vernietigt de omgeving dergelijke correlaties snel, en chemici beschrijven reacties zonder rekening te houden met kwantumeffecten. Het team zal testen of verstrengeling behouden blijft in echte heterogene reacties op oppervlakken en of het hun verloop beïnvloedt.
Hiervoor combineren de wetenschappers drie benaderingen: kwantumdetectie op nanoschaal met behulp van stikstof-vacature-defecten in diamant, methoden uit de kwantuminformatietheorie om verstrengeling te bevestigen, en eersteklassenberekeningen van open kwantumsystemen. Als de correlaties werkelijk kwantummechanisch blijken te zijn en niet klassiek, zal dit het begrip van katalyse veranderen.
De resultaten kunnen leiden tot nieuwe instrumenten voor het bestuderen van katalytische en magnetische materialen. Op de lange termijn opent dit wegen naar efficiëntere processen voor fotokatalyse, energieconversie en kwantumtechnologieën, die al invloed hebben op de productie van meststoffen, de zuivering van uitlaatgassen en de ontwikkeling van zonnecellen.
Het project versterkt ook de samenwerking tussen het Verenigd Koninkrijk en de VS, door postdocs in de wiskundige en chemische wetenschappen te ondersteunen. Experimenten en simulaties zullen parallel in beide landen worden uitgevoerd, wat de toetsing van hypothesen versnelt.
Als verstrengeling inderdaad een rol speelt bij chemische omzettingen, zullen gangbare beschrijvingen van reacties grondig moeten worden herzien.
