La "superquímica cuántica" se observa por primera vez en experimentos de laboratorio

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Los coautores Zhendong Zhang (izquierda) y el profesor Cheng Chin con el equipo de laboratorio que les ayudó a observar la superquímica cuántica por primera vez. Créditos: John Zich

La mezcla de campos materia-onda describe las reacciones químicas en el régimen cuántico degenerado. En las reacciones de muchos cuerpos en las que intervienen reactantes y productos bosónicos, como los condensados de Bose-Einstein atómicos y moleculares acoplados, la coherencia cuántica y el aumento bosónico son características clave de la dinámica de reacción.

Sin embargo, la observación de estos fenómenos de muchos cuerpos, también llamados superquímica, sigue siendo difícil.

En un nuevo estudio, un equipo de la Universidad de Chicago presenta las primeras pruebas de "superquímica cuántica". La superquímica cuántica se produce cuando partículas con el mismo estado cuántico experimentan reacciones colectivas aceleradas.

Sus hallazgos, según los científicos, allanan el camino hacia un nuevo campo.

Cuando todas las partículas se encuentran en el mismo estado cuántico cercano al cero absoluto, pueden unirse y mostrar capacidades y comportamientos extraordinarios.

Aunque se había planteado la hipótesis de que un conjunto de átomos y moléculas en el mismo estado cuántico se comportarían de forma diferente durante las reacciones químicas, nunca se verificó la hipótesis mediante un experimento.

Aunque el equipo de Chin tiene experiencia en conducir átomos a estados cuánticos, como las moléculas son más grandes y complicadas que los átomos, el equipo tuvo que desarrollar métodos novedosos para controlarlas.

Durante los experimentos, los científicos agruparon los átomos de cesio y los engatusaron para que entraran en el mismo estado cuántico. A continuación determinaron si los átomos reaccionaban para formar moléculas.

En la química ordinaria, la colisión de átomos individuales podría dar lugar a la formación de una molécula. En cambio, en mecánica cuántica, los átomos en un estado cuántico realizan acciones colectivamente.

Cheng Chin, catedrático de Física y miembro del Instituto James Franck y del Instituto Enrico Fermi, afirmó: "Ya no se trata una reacción química como una colisión entre partículas independientes, sino como un proceso colectivo. Todas reaccionan juntas, como un todo".

"Otra consecuencia es que las moléculas finales comparten el mismo estado molecular. Las mismas moléculas en diferentes estados pueden tener propiedades físicas y químicas distintas, pero a veces se quiere crear un lote de moléculas en un estado específico. En la química tradicional, se juega a los dados. Pero con esta técnica, puedes dirigir las moléculas hacia un estado idéntico".

Shu Nagata, estudiante de posgrado y coautor del artículo, afirma: "Vimos indicios de que la reacción se producía como una interacción de tres cuerpos más a menudo que como una interacción de dos cuerpos. Tres átomos chocaban, dos formaban una molécula y el tercero permanecía aislado. Pero el tercero desempeñaba algún papel en la reacción".

Aunque este experimento se realizó con moléculas sencillas de dos átomos, los científicos esperan poder trabajar con moléculas más grandes y complejas.

Fuentes, créditos y referencias:

Universidad de Chicago - Zhang, Z., Nagata, S., Yao, KX. et al. Many-body chemical reactions in a quantum degenerate gas. Nat. Phys. (2023). DOI: 10.1038/s41567-023-02139-8