Un equipo de la Universidad de Chicago ha anunciado la primera evidencia de «superquímica cuántica», en el que las partículas en el mismo estado cuántico experimentan reacciones colectivas aceleradas.
El efecto había sido predicho, pero nunca observado en el laboratorio.
Los hallazgos, publicados en Nature Physics, abren la puerta a un nuevo campo. Los científicos están sumamente 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 en un comunicado Cheng Chin, 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».
El laboratorio de Chin se especializa en trabajar con partículas mantenidas a temperaturas muy, muy bajas. Cerca del cero absoluto, las partículas pueden unirse para que estén todas 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 comportaría de manera diferente durante las reacciones químicas, pero la dificultad para orquestar el experimento significó que nunca se había 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 manejarlas.
En los experimentos, los científicos enfriaron los átomos de cesio y los convencieron en el 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 colectivas en su lugar.
«Ya no estás tratando 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 ocurriría en condiciones ordinarias. 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 momentos en los que desea crear un lote de moléculas en un estado específico. En la química 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 se estaba produciendo como una interacción de tres cuerpos con más frecuencia que como una interacción de dos cuerpos. Es decir, colisionarían tres átomos; dos formarían una molécula, y el tercero permanecería solo. Pero el tercero jugó algún papel en la reacción.
Los científicos esperan que el avance sea el comienzo de una nueva era. Aunque este experimento se realizó con moléculas simples de dos átomos, planean trabajar para manejar moléculas más grandes y complejas.
«Hasta dónde podemos llevar nuestra comprensión y nuestro conocimiento de la ingeniería cuántica, en moléculas más complicadas, es una dirección de investigación importante en esta comunidad científica», dijo Chin.
Algunos en el campo han imaginado usar 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 las leyes e interacciones fundamentales, como probar las leyes básicas del universo, como la violación de la simetría.