Consiguen por primera vez en laboratorio la “superquímica cuántica”

Investigadores de la Universidad de Chicago han conseguido en laboratorio la así llamada "superquímica cuántica", que nunca se había confirmado experimentalmente. El descubrimiento podría acelerar las reacciones químicas, ofrecer a los científicos un mayor control sobre la materia y arrojar luz sobre la computación cuántica.

La química cuántica es una parte de la química que aplica una rama de la física, la mecánica cuántica, al estudio de sistemas químicos “mejorados cuánticamente”. Su finalidad consiste en entender mejor las moléculas, que están formadas por partículas tan pequeñas como los electrones.

Esta pretendida mejora ha dado lugar a la así llamada superquímica cuántica, un efecto que había sido predicho, pero que hasta ahora nunca observado en el laboratorio. La superquímica cuántica ocurre cuando las partículas de un sistema químico que están en el mismo estado cuántico reaccionan entre sí de forma colectiva y acelerada, siguiendo las pautas del mundo cuántico.

El estado cuántico es una descripción de las propiedades físicas de una partícula elemental, como su posición, velocidad, energía, espín, etc., que se puede utilizar también para describir las propiedades de las partículas de un sistema químico.

Superposición cuántica

La mecánica cuántica, la teoría que describe el comportamiento de las partículas a escala subatómica, predice que una partícula elemental puede estar en una superposición de varios estados cuánticos al mismo tiempo, es decir, que puede tener varias propiedades posibles simultáneamente. Este fenómeno se conoce como superposición cuántica.

Sin embargo, si cuando se mide la partícula se observa solo una de esas propiedades, entonces se dice que la superposición se ha colapsado.

La superquímica cuántica, tal como se había predicho, se produce cuando las partículas de un sistema químico se enfrían a temperaturas muy bajas, cerca del cero absoluto, y forman un nuevo estado de la materia llamado condensado de Bose-Einstein. En este estado, las partículas químicas pierden su identidad individual y se comportan como un todo coherente, tal como corresponde a las partículas cuánticas.

Superquímica cuántica a la vista

Un equipo de la Universidad de Chicago ha logrado, por primera vez, observar la superquímica cuántica en el laboratorio, convirtiendo en evidencia lo que hasta ahora era una hipótesis científica.

Para conseguirlo, los científicos enfriaron átomos de cesio y los colocaron en el mismo estado cuántico. Luego, observaron cómo los átomos reaccionaban para formar moléculas.

En la química ordinaria, los átomos individuales colisionarían y habría una probabilidad de que cada colisión formara una molécula.

Sin embargo, en la superquímica cuántica observada en esta investigación, los átomos reaccionan juntos, como un todo, y forman moléculas más rápido y con mayor eficiencia.

Además, las moléculas finales comparten el mismo estado molecular. Este comportamiento propio de las partículas cuánticas es lo que han observado estos investigadores en un sistema químico. Y aunque este experimento se realizó con moléculas simples de dos átomos, planean trabajar para gestionar moléculas más grandes y complejas.

Modelo teórico

Para explicar este fenómeno, los científicos crearon un modelo teórico basado en la ecuación de Gross–Pitaevskii, que describe el estado base de un sistema cuántico. Aplicada en este modelo, la ecuación describe la dinámica de las reacciones químicas cuánticas entre átomos y moléculas condensados.

Los científicos también midieron la población de moléculas y la fracción condensada usando imágenes de absorción óptica. También midieron la temperatura del gas usando imágenes de tiempo de vuelo, según explican en un artículo publicado en Nature Physics.

Estas mediciones les permitieron caracterizar el proceso de equilibración entre los átomos y las moléculas y observar las oscilaciones coherentes entre ellos. Finalmente, los científicos compararon sus resultados experimentales con las predicciones teóricas y descubrieron que coincidían.

Química cuántica

Este descubrimiento tiene importantes implicaciones para no solo para la química cuántica, sino también para la computación cuántica y otras tecnologías basadas en el control y la manipulación de los estados cuánticos, consideran los investigadores. Algunos científicos piensan ya en usar moléculas como cúbits en computadoras cuánticas o en el procesamiento de información cuántica, añaden. 

Asimismo, sugieren algunas perspectivas futuras para explorar más a fondo la superquímica cuántica, como estudiar el efecto de la resonancia magnética, el efecto del espín nuclear, el efecto del campo magnético externo y el efecto de la geometría del sistema.

Por último, también consideran que su descubrimiento podría ayudar a comprender mejor las leyes fundamentales del universo y los procesos que ocurren en condiciones extremas, como en las estrellas o los agujeros negros.

Referencia

Many-body chemical reactions in a quantum degenerate gas. Zhendong Zhang et al. Nature Physics (2023). DOI:https://doi.org/10.1038/s41567-023-02139-8