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| Los autores principales, Vanessa Olaya Agudelo y Christophe Valahu, delante del ordenador cuántico del Centro de Nanociencia de Sídney utilizado en el experimento. Crédito: Stefanie Zingsheim/Universidad de Sídney |
Las intersecciones cónicas son comunes en química y física y controlan con frecuencia funciones como la fotocatálisis, la reactividad química, la visión y la captación de luz. Sirven de conductos entre los estados electrónicos moleculares, permitiendo una relajación rápida y eficaz durante la dinámica química.
Una fase geométrica en la función de onda molecular se produce cuando una ruta de reacción rodea una intersección cónica, y esta fase puede interferir con la mecánica cuántica para cambiar la conclusión de la reacción. Aún no se ha observado directamente la interferencia de paquetes de ondas subyacente en experimentos anteriores. Sin embargo, se han realizado mediciones indirectas de fases geométricas en patrones de dispersión y observables espectroscópicos.
Por primera vez, científicos de la Universidad de Sydney han utilizado un ordenador cuántico para diseñar y observar directamente un proceso crítico en las reacciones químicas ralentizándolo en un factor de 100.000 millones de veces.
Al comprender estos procesos básicos en el interior de las moléculas y entre ellas, los científicos pueden abrir un nuevo mundo de posibilidades en la ciencia de materiales, el diseño de fármacos o la captación de energía solar. También podría ayudarles a mejorar otros procesos que dependen de la interacción de las moléculas con la luz.
En concreto, el equipo de investigadores observó el patrón de interferencia de un solo átomo inducido por una "intersección cónica", una forma geométrica típica de la química.
Las intersecciones cónicas son bien conocidas en química y resultan esenciales para reacciones fotoquímicas rápidas como la fotosíntesis y la captación de luz para la visión humana.
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| Lo que ocurre en la naturaleza en femtosegundos observado en milisegundos. Crédito: Universidad de Sydney |
Para ello, crearon un experimento utilizando un ordenador cuántico de iones atrapados de una forma completamente nueva. Utilizando un artilugio cuántico relativamente modesto, fueron capaces de crear y cartografiar este problema extremadamente difícil, lo que posteriormente les permitió ralentizar el proceso por un factor de 100.000 millones.
Olaya Agudelo, de la Facultad de Química, declaró: "En la naturaleza, todo el proceso termina en femtosegundos. Es decir, una milmillonésima de millonésima -o una cuatrillonésima- de segundo. Con nuestro ordenador cuántico construimos un sistema para ralentizar la dinámica química de femtosegundos a milisegundos. Esto nos permitió hacer observaciones y mediciones significativas".
"Esto no se había hecho nunca antes".
El coautor principal, el Dr. Christophe Valahu, de la Facultad de Física, afirmó: "Hasta ahora, no habíamos podido observar directamente la dinámica de la 'fase geométrica'; ocurre demasiado rápido para sondearla experimentalmente".
"Utilizando tecnologías cuánticas, hemos abordado este problema. Es parecido a simular los patrones del aire alrededor del ala de un avión en un túnel de viento".
"Nuestro experimento no era una aproximación digital del proceso: se trataba de una observación analógica directa de la dinámica cuántica desarrollándose a una velocidad que podíamos observar".
El coautor y jefe del equipo de investigación, el profesor asociado Ivan Kassal, de la Facultad de Química y el Instituto Nano de la Universidad de Sídney, afirmó: Este emocionante resultado nos ayudará a comprender mejor la dinámica ultrarrápida, es decir, cómo cambian las moléculas en las escalas de tiempo más rápidas".
"Es tremendo que en la Universidad de Sídney tengamos acceso al mejor ordenador cuántico programable del país para realizar estos experimentos".
Fuentes, créditos y referencias: