Cientistas observam a primeira evidência de 'superquímica quântica' no laboratório: WebCuriosos

Coisas estranhas acontecem no nível quântico. Nuvens inteiras de partículas podem ficar emaranhadas, perdendo sua individualidade à medida que agem como uma só.

Agora os cientistas observaram, pela primeira vez, átomos ultrafrios resfriados a um estado quântico reagindo quimicamente como um coletivo, em vez de formar novas moléculas ao acaso depois de se chocarem por acaso.

“O que vimos está alinhado com as previsões teóricas”, diz Cheng Chin, físico da Universidade de Chicago e autor sênior do estudo. “Este tem sido um objetivo científico há 20 anos, por isso é uma era muito emocionante.”

Todas as partículas, átomos e moléculas vibram com energia térmica, vibrando dentro dos limites da sua estrutura atómica ou acotovelando-se ao lado de outras moléculas numa substância. O resfriamento das partículas a temperaturas ultrafrias as leva a um estado menos caótico; prendendo-os em uma armadilha óptica também limita seu movimento.

Décadas atrás, os cientistas mostraram que, à medida que as temperaturas caíam para perto do zero absoluto, as partículas começaram até a formar conglomerados com uma identidade quântica partilhada; suas propriedades individuais foram apagadas por estranhos comportamentos coletivos que começaram a dominar.

No entanto, as moléculas são muito mais difíceis de domar do que os átomos. Mas em 2019 os cientistas tiveram encontrei um caminho para discuti-los em estados quânticos compartilhados também.

A partir daí, os cientistas previram que se as moléculas fossem coerentes ou ficar juntos quando atraídos para o mesmo estado quântico, poderá haver um tipo totalmente novo de química dentro da paisagem quântica.

Em alguns casos, este estado quântico partilhado, conhecido como degeneração quântica, foi visto como suprimir reações químicas a uma taxa muito maior do que as temperaturas frias geralmente retardam as reações químicas.

Os investigadores também pensaram que moléculas que partilham um estado quântico poderiam produzir reações químicas aceleradas se essas moléculas estivessem “acopladas” entre si e reagissem como uma só. No entanto, como acontece com quaisquer experiências que investiguem o domínio quântico, este comportamento teorizado tem sido difícil de observar.

“A observação destes fenómenos de muitos corpos, também conhecidos como ‘superquímica’, tem sido ilusória até agora”, Chin e colegas escrever em seu artigo publicado.

Na sua tentativa, Chin e colegas mantiveram um gás ultrafrio de césio átomos em uma armadilha óptica, ligando-os em um estado quântico compartilhado. Em seguida, os pesquisadores induziram uma reação química para convertê-los em moléculas, ativando um campo magnético, e analisaram a dinâmica da reação.

Seus resultados sugerem que as reações químicas realmente seguem regras diferentes em um gás quântico degenerado e em um gás normal.

Abaixo de uma temperatura crítica, a equipe observou uma queda acentuada nas colisões de partículas. Entretanto, mediram uma rápida formação de moléculas à medida que os átomos desapareciam na reacção química – as partículas tinham entrado num regime quântico degenerado e as reacções estavam a acontecer mais rapidamente do que aconteceriam em condições normais.

“A transição brusca da taxa de formação de moléculas em torno da temperatura crítica Tc indica leis diferentes nos regimes clássico e quântico degenerado”, Chin e colegas escrever.

Depois que o campo magnético foi desligado, os átomos e moléculas restantes também ficaram pendurados em um acoplamento coerente, oscilando por vários milissegundos. Outras experiências revelaram o mecanismo de reação subjacente, que os pesquisadores descrever como evidência de um processo químico 'aprimorado quântico'.

As experiências envolveram, no entanto, a criação de moléculas simples de dois átomos, pelo que as descobertas da equipa terão de ser repetidas antes de podermos ter a certeza do que estamos a ver. Experimentos com moléculas maiores e mais complexas também estão previstos.

“A observação de reações químicas coerentes e coletivas no regime quântico degenerado abre caminho para explorar a interação entre a física de muitos corpos e a química ultrafria”, disseram os pesquisadores. concluir.

O estudo foi publicado em Física da Natureza.