Un descubrimiento revolucionario de científicos de la Universidad de Chicago

Un gran avance puede señalar el camino hacia conocimientos fundamentales y nuevas tecnologías.

equipo de Universidad de Chicago Dio a conocer la primera evidencia de la “superquímica cuántica”, un fenómeno en el que las partículas en el mismo estado cuántico juntas experimentan interacciones aceleradas. Si bien se esperaba anteriormente, este efecto nunca antes se había observado en el laboratorio.

Resultados publicados en física de la naturaleza El 24 de julio abre la puerta a un nuevo campo. Los científicos están muy interesados ​​en lo que se conoce como reacciones químicas “mejoradas cuánticamente”, que podrían tener aplicaciones en la química cuántica. Estadísticas cuantitativasy otras tecnologías, así como una mejor comprensión de las leyes del universo.

“Lo que hemos visto está en línea con las expectativas teóricas”, dijo Cheng Chen, profesor de física y miembro del Instituto James Franck y el 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”.

Los científicos anuncian la primera evidencia de la “superquímica cuántica”, un fenómeno en el que las partículas en el mismo estado cuántico experimentan interacciones grupales aceleradas. Arriba, los coautores del estudio Zhendong Zhang (izquierda) y el profesor Cheng Chin en el laboratorio. Crédito: John Zech

Mejora de pose: el proceso

El laboratorio de Chen se especializa en trabajar con moléculas que existen a temperaturas extremadamente bajas. cerca cero absolutoLas partículas pueden correlacionarse para que estén todas en el mismo estado cuántico, donde pueden exhibir habilidades y comportamientos inusuales.

Se planteó la hipótesis de 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 organizar el experimento hizo que nunca se observara.

El grupo de Chen tiene experiencia en conducir átomos a estados cuánticos, pero las partículas son más grandes y más complejas que los átomos, por lo que el grupo tuvo que idear nuevas tecnologías para contrarrestarlas.

“Hasta dónde podemos llevar nuestra comprensión y conocimiento de la geometría cuántica, en partículas más complejas, es una dirección de investigación importante en esta comunidad científica”.

– Cheng Chen, profesor de física

En los experimentos, los científicos enfriaron los átomos de cesio y los convencieron en el mismo estado cuántico. Luego, observaron cómo los átomos interactuaban para formar moléculas.

En la química ordinaria, los átomos individuales chocan, y para cada colisión existe el potencial de formar una molécula. Sin embargo, la mecánica cuántica predice que los átomos en el estado cuántico realizan acciones colectivas en su lugar.

Implicaciones y resultados

“Ya no tratas una reacción química como una colisión de partículas independientes, sino como un proceso colectivo”, explicó Chen. “Todos interactúan juntos, como un todo”.

Una consecuencia es que la reacción se produce más rápido de lo que ocurriría en circunstancias normales. De hecho, cuantos más átomos hay en un sistema, más rápida es la reacción.

Otra consecuencia es que las moléculas finales comparten el mismo estado molecular. Chen explicó que las mismas moléculas en diferentes estados pueden tener diferentes propiedades físicas y químicas, pero hay momentos en los que desea crear un grupo de moléculas en un estado específico. En la alquimia tradicional, estás tirando los dados. “Pero con esta técnica, puedes dirigir las moléculas a un estado idéntico”, dijo.

Shu Nagata, estudiante de posgrado y coautor del artículo, agregó que vieron evidencia de que la reacción estaba ocurriendo como una interacción de tres cuerpos con más frecuencia que una interacción de dos cuerpos. Es decir, tres átomos chocarán. Dos formarán una molécula, y el tercero permanecerá solo. Pero el tercero jugó algún papel en la reacción.

capacidades tecnológicas

Este avance marca el comienzo de una nueva era. Aunque el experimento usó dosmaíz Moléculas, hay planes para trabajar con moléculas más grandes y complejas.

“Hasta dónde podemos llevar nuestra comprensión y conocimiento de la geometría cuántica, en partículas más complejas, es una dirección de investigación importante en esta comunidad científica”, dijo Chen.

Algunos en el campo han imaginado usar partículas 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 más precisas de las leyes e interacciones fundamentales, como probar las leyes fundamentales del universo, como la violación de la simetría.

Referencia: “Reacciones químicas multicuerpo en un gas de descomposición cuantitativa” por Zhendong Zhang, Shu Nagata, Kai-Xuan Yao y Cheng Chin, 24 de julio de 2023, disponible aquí. física de la naturaleza.
DOI: 10.1038/s41567-023-02139-8

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

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