Cientistas da UChicago observam a primeira evidência de 'superquímica quântica' em laboratório

Por Louise Lerner

4 de agosto de 2023

Uma equipe da Universidade de Chicago anunciou a primeira evidência de “superquímica quântica” – um fenômeno onde partículas no mesmo estado quântico sofrem reações coletivas aceleradas. O efeito foi previsto, mas nunca observado em laboratório.

As descobertas, publicadas em 24 de julho na Nature Physics, abrem as portas para um novo campo. Os cientistas estão intensamente interessados ​​nas chamadas reações químicas “aprimoradas quânticas”, que poderiam ter aplicações na química quântica, na computação quântica e em outras tecnologias, bem como na melhor compreensão das leis do universo.

“O que vimos estava alinhado com as previsões teóricas”, disse Cheng Chin, professor de física e membro do Instituto James Franck e do Instituto Enrico Fermi, cujo laboratório conduziu a pesquisa. “Este tem sido um objetivo científico há 20 anos, por isso é uma era muito emocionante.”

O laboratório de Chin é especializado em trabalhar com partículas mantidas em temperaturas muito, muito baixas. Perto do zero absoluto, as partículas podem ligar-se de modo a ficarem todas no mesmo estado quântico – onde podem exibir capacidades e comportamentos incomuns.

Foi teorizado que um grupo de átomos e moléculas no mesmo estado quântico se comportaria de maneira diferente durante as reações químicas, mas a dificuldade em orquestrar o experimento fez com que ele nunca tivesse sido observado.

O grupo de Chin tem experiência em agrupar átomos em estados quânticos, mas as moléculas são maiores e muito mais complexas do que os átomos – por isso o grupo teve que inventar novas técnicas para combiná-las.

Nos experimentos, os cientistas resfriaram átomos de césio e os levaram ao mesmo estado quântico. Em seguida, observaram como os átomos reagiam para formar moléculas.

Na química comum, os átomos individuais colidiriam e há uma probabilidade de cada colisão formar uma molécula. No entanto, a mecânica quântica prevê que os átomos em estado quântico realizam ações coletivamente.

“Não estamos mais tratando uma reação química como uma colisão entre partículas independentes, mas como um processo coletivo”, explicou Chin. “Todos eles estão reagindo juntos, como um todo.”

Uma consequência é que a reação ocorre mais rapidamente do que aconteceria em condições normais. Na verdade, quanto mais átomos no sistema, mais rápida ocorre a reação.

Outra consequência é que as moléculas finais compartilham o mesmo estado molecular. Chin explicou que as mesmas moléculas em estados diferentes podem ter propriedades físicas e químicas diferentes – mas há momentos em que você deseja criar um lote de moléculas em um estado específico. Na química tradicional, você está jogando os dados. “Mas com esta técnica, você pode direcionar as moléculas para um estado idêntico”, disse ele.

Shu Nagata, estudante de pós-graduação e coautor do artigo, acrescentou que viu evidências de que a reação ocorria mais frequentemente como uma interação de três corpos do que como uma interação de dois corpos. Ou seja, três átomos colidiriam; dois formariam uma molécula e o terceiro permaneceria único. Mas o terceiro desempenhou algum papel na reação.

Os cientistas esperam que a descoberta seja o início de uma nova era. Embora este experimento tenha sido realizado com moléculas simples de dois átomos, eles planejam trabalhar para lidar com moléculas maiores e mais complexas.

“Até onde podemos levar a nossa compreensão e o nosso conhecimento da engenharia quântica, em moléculas mais complicadas, é uma importante direção de investigação nesta comunidade científica”, disse Chin.

Alguns profissionais da área imaginaram o uso de moléculas como qubits em computadores quânticos ou no processamento de informações quânticas, por exemplo. Outros cientistas estão explorando-os como portas de entrada para medições ainda mais precisas de leis e interações fundamentais, como testar leis básicas do universo, como violação de simetria.

Zhendong Zhang (PhD'22, agora na Universidade de Stanford) e Kai-Xuan Yao (PhD'22, agora na Citadel) também foram coautores do artigo.