Científicos observan por primera vez “superquímica cuántica”

Tomado: DW made for minds

Se había teorizado que un grupo de átomos y moléculas en el mismo estado cuántico se comportaría de forma diferente, pero la dificultad de orquestar el experimento significaba que nunca se había observado.

Investigadores de la Universidad de Chicago han logrado un avance sin precedentes al demostrar la viabilidad de la “superquímica cuántica”, que se había predicho teóricamente pero nunca se había observado en el laboratorio.

En esta innovadora forma de reacción química, todos los átomos o moléculas se encuentran en el mismo estado cuántico, lo que da lugar a una velocidad de reacción química notablemente superior a la de aquellas en las que intervienen átomos o moléculas en estados cuánticos diferentes.

Los resultados de este trabajo, publicados en la revista Nature Physics, inauguran una prometedora área de investigación. La comunidad científica se encuentra sumamente interesada en lo que se conoce como “reacciones químicas potenciadas cuánticamente”, debido a sus posibles aplicaciones en campos como la química cuántica, la informática cuántica y otras tecnologías vanguardistas.

Además, este avance también podría contribuir a una comprensión más profunda de las leyes fundamentales que rigen el universo, tal como se destaca en el comunicado oficial.

“Superquímica cuántica”: reacción colectiva y acelerada

La “superquímica cuántica” se caracteriza por reacciones químicas colectivas y aceleradas. Para lograr la observación de esta novedosa forma de química enriquecida, los científicos de la Universidad de Chicago enfrentaron el desafío de inducir no solo a átomos, sino a moléculas enteras, a un mismo estado cuántico. Esto resultó especialmente complejo ya que las moléculas, al ser más grandes que los átomos, requirieron el desarrollo de nuevas técnicas de manipulación.

Una vez superados los obstáculos, se pudo apreciar que las reacciones químicas se llevaban a cabo en conjunto, en lugar de manera individual. Esta cooperación química se intensificaba a medida que aumentaba la densidad de átomos involucrados en la reacción, lo que producía una velocidad de reacción más rápida.

“Lo que vimos coincidía con las predicciones teóricas”, afirma Cheng Chin, profesor de Física y miembro del Instituto James Franck y del Instituto Enrico Fermi de la Universidad de Chicago, cuyo laboratorio llevó a cabo la investigación, según el comunicado de prensa. “Éste ha sido un objetivo científico durante 20 años, así que es una era muy emocionante”, agrega.

La química del ultrafrío

Estos experimentos se sitúan en el ámbito de la química del ultrafrío, que se esfuerza por lograr un control detallado de las reacciones químicas aprovechando las interacciones cuánticas presentes en estados fríos extremos. Las partículas ultrafrías podrían, por ejemplo, utilizarse como qubits en la informática cuántica.

En este estudio, se emplearon átomos y moléculas en un condensado de Bose-Einstein, que representa el quinto estado de la materia. A temperaturas extremadamente bajas, estas partículas se fusionan en una entidad mecánica cuántica única.

Partículas reaccionan de manera sincronizada y cohesionada

En comparación con la química convencional, donde los átomos individuales colisionan y existe la posibilidad de formar moléculas en cada colisión, la mecánica cuántica predice que los átomos en un mismo estado cuántico actúan en conjunto. Por lo tanto, una reacción química ya no se considera simplemente una colisión entre partículas independientes, sino un proceso colectivo en el que todas las partículas reaccionan de manera sincronizada y cohesionada, según afirmó el profesor Chin.

En la investigación se encontró que, aunque el resultado final de la reacción fuera una molécula compuesta por dos átomos, en realidad tres átomos estaban involucrados, con un átomo adicional que interactuaba con los dos átomos enlazantes para facilitar la reacción.

Este estudio se centró en moléculas simples, y el siguiente paso, según lo expresado por el profesor Chin, será explorar la posibilidad de lograr la “superquímica cuántica” con moléculas más complejas.

“Hasta dónde podemos llevar nuestra comprensión y nuestros conocimientos de ingeniería cuántica, en moléculas más complicadas, es una dirección de investigación importante en esta comunidad científica”, dijo Chin.