Científicos de la Universidad de Chicago observan la primera evidencia de 'superquímica cuántica' en el laboratorio

Por Louise Lerner

4 de agosto de 2023

Un equipo de la Universidad de Chicago ha anunciado la primera evidencia de la "superquímica cuántica", un fenómeno en el que partículas en el mismo estado cuántico experimentan reacciones colectivas aceleradas. El efecto había sido predicho, pero nunca observado en el laboratorio.

Los hallazgos, publicados el 24 de julio en Nature Physics, abren la puerta a un nuevo campo. Los científicos están intensamente interesados ​​en lo que se conoce como reacciones químicas “mejoradas cuánticamente”, que podrían tener aplicaciones en la química cuántica, la computación cuántica y otras tecnologías, así como en una mejor comprensión de las leyes del universo.

"Lo que vimos se alineó con las predicciones teóricas", dijo Cheng Chin, profesor de física y miembro del Instituto James Franck y del Instituto Enrico Fermi, cuyo laboratorio realizó la investigación. "Este ha sido un objetivo científico durante 20 años, por lo que es una era muy emocionante".

El laboratorio de Chin se especializa en trabajar con partículas mantenidas a temperaturas muy, muy bajas. Cerca del cero absoluto, las partículas pueden unirse de modo que todas estén en el mismo estado cuántico, donde pueden mostrar habilidades y comportamientos inusuales.

Se había teorizado que un grupo de átomos y moléculas en el mismo estado cuántico se comportarían de manera diferente durante las reacciones químicas, pero la dificultad para orquestar el experimento hizo que nunca se hubiera observado.

El grupo de Chin tiene experiencia en conducir átomos a estados cuánticos, pero las moléculas son más grandes y mucho más complejas que los átomos, por lo que el grupo tuvo que inventar nuevas técnicas para controlarlas.

En los experimentos, los científicos enfriaron átomos de cesio y los llevaron al mismo estado cuántico. Luego, observaron cómo los átomos reaccionaban para formar moléculas.

En la química ordinaria, los átomos individuales colisionarían y existe la probabilidad de que cada colisión forme una molécula. Sin embargo, la mecánica cuántica predice que los átomos en un estado cuántico realizan acciones colectivamente.

"Ya no se trata una reacción química como una colisión entre partículas independientes, sino como un proceso colectivo", explicó Chin. "Todos ellos están reaccionando juntos, como un todo".

Una consecuencia es que la reacción ocurre más rápido de lo que sería en condiciones normales. De hecho, cuantos más átomos haya en el sistema, más rápida será la reacción.

Otra consecuencia es que las moléculas finales comparten el mismo estado molecular. Chin explicó que las mismas moléculas en diferentes estados pueden tener diferentes propiedades físicas y químicas, pero hay ocasiones en las que se desea crear un lote de moléculas en un estado específico. En la química tradicional, estás tirando los dados. "Pero con esta técnica, puedes llevar las moléculas a un estado idéntico", dijo.

Shu Nagata, estudiante de posgrado y coautor del artículo, agregó que vieron evidencia de que la reacción se estaba produciendo como una interacción de tres cuerpos con más frecuencia que como una interacción de dos cuerpos. Es decir, tres átomos colisionarían; dos formarían una molécula y la tercera permanecería soltera. Pero el tercero jugó algún papel en la reacción.

Los científicos esperan que este avance sea el comienzo de una nueva era. Aunque este experimento se realizó con moléculas simples de dos átomos, planean avanzar hasta manejar moléculas más grandes y complejas.

"Hasta dónde podemos llevar nuestra comprensión y nuestro conocimiento de la ingeniería cuántica a moléculas más complicadas es una importante dirección de investigación en esta comunidad científica", dijo Chin.

Algunos expertos en este campo han imaginado el uso de moléculas como qubits en computadoras cuánticas o en el procesamiento de información cuántica, por ejemplo. Otros científicos los están explorando como puertas de entrada a mediciones aún más precisas de leyes e interacciones fundamentales, como probar leyes básicas del universo como la violación de la simetría.

Zhendong Zhang (PhD'22, ahora en la Universidad de Stanford) y Kai-Xuan Yao (PhD'22, ahora en Citadel) también fueron coautores del artículo.

Cita: "Reacciones químicas de muchos cuerpos en un gas cuántico degenerado". Zhang, Nagata, Yao y Chin, Nature Physics, 24 de julio de 2023.

Financiamiento: Fundación Nacional de Ciencias, Oficina de Investigación Científica de la Fuerza Aérea, Beca de Graduados Grainger, Fundación de Becas Takenaka.

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