Uma descoberta inovadora feita por cientistas da Universidade de Chicago

A Universidade de Chicago revelou evidências inovadoras para a “superquímica quântica”, na qual partículas no mesmo estado quântico agem coletivamente. As descobertas podem levar a avanços na computação quântica e fornecer informações mais profundas sobre as leis fundamentais do universo.

Um avanço pode apontar o caminho para insights fundamentais e novas tecnologias.

equipe de Universidade de Chicago Ele revelou a primeira evidência da “superquímica quântica” – um fenômeno no qual partículas no mesmo estado quântico sofrem interações aceleradas. Embora esperado anteriormente, esse efeito nunca foi observado em laboratório antes.

Resultados publicados em física da natureza Em 24 de julho, abra a porta para um novo campo. Os cientistas estão profundamente interessados ​​no que é conhecido como reações químicas “reforçadas quânticas”, que podem ter aplicações na química quântica, estatísticas quantitativase outras tecnologias, bem como uma melhor compreensão das leis do universo.

“O que vimos é consistente com as expectativas teóricas”, disse Cheng Chen, professor de física e membro do James Franck Institute e do Enrico Fermi Institute, cujo laboratório conduziu a pesquisa. “Este tem sido um objetivo da ciência há 20 anos, por isso é uma era muito emocionante.”

Cientistas anunciam a primeira evidência da “superquímica quântica” – um fenômeno no qual partículas no mesmo estado quântico sofrem interações de grupo aceleradas. Acima, estude os coautores Zhendong Zhang (à esquerda) e o professor Cheng Chin no laboratório. Crédito: John Zech

Melhoria da pose: o processo

O laboratório de Chen é especializado em trabalhar com moléculas que existem em temperaturas extremamente baixas. fechar zero absolutoAs partículas podem se correlacionar para que estejam todas no mesmo estado quântico – onde podem exibir habilidades e comportamentos incomuns.

Foi levantada a hipótese de que um grupo de átomos e moléculas no mesmo estado quântico se comportaria de maneira diferente durante as reações químicas, mas a dificuldade em organizar o experimento fez com que isso nunca fosse observado.

O grupo de Chen tem experiência em agrupar átomos em estados quânticos, mas as partículas são maiores e mais complexas que os átomos, então o grupo teve que desenvolver novas tecnologias para combatê-las.

“Até onde podemos levar nossa compreensão e conhecimento da geometria quântica, em partículas mais complexas, é uma importante direção de pesquisa nesta comunidade científica”.

– Cheng Chen, professor de física

Em experimentos, os cientistas resfriaram átomos de césio e os induziram ao mesmo estado quântico. Em seguida, observaram os átomos interagirem para formar moléculas.

Na química comum, os átomos individuais colidem e, para cada colisão, há um potencial para formar uma molécula. No entanto, a mecânica quântica prevê que os átomos no estado quântico realizam ações coletivas.

Implicações e resultados

“Você não trata mais uma reação química como uma colisão de partículas independentes, mas como um processo coletivo”, explicou Chen. “Todos eles interagem juntos, como um todo.”

Uma consequência é que a reação ocorre mais rapidamente do que em circunstâncias normais. Na verdade, quanto mais átomos houver em um sistema, mais rápida será a reação.

Outra consequência é que as moléculas finais compartilham o mesmo estado molecular. Chen explicou que as mesmas moléculas em diferentes estados podem ter diferentes propriedades físicas e químicas – mas há momentos em que você deseja criar um grupo de moléculas em um estado específico. Na alquimia tradicional, você está rolando 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 estava ocorrendo como uma interação de três corpos com mais frequência do que uma interação de dois corpos. Ou seja, três átomos irão colidir. Dois formarão uma molécula e o terceiro permanecerá único. Mas o terceiro desempenhou algum papel na reação.

capacidades tecnológicas

Este avanço marca o início de uma nova era. Embora o experimento tenha usado doismilho Moléculas, existem planos para trabalhar com moléculas maiores e mais complexas.

“Até onde podemos levar nossa compreensão e conhecimento da geometria quântica, em partículas mais complexas, é uma importante direção de pesquisa nesta comunidade científica”, disse Chen.

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

Referência: “Multibody Chemical Reactions in a Quantitative Decay Gas” Por Zhendong Zhang, Shu Nagata, Kai-Xuan Yao e Cheng Chin, 24 de julho de 2023, disponível aqui. física da natureza.
DOI: 10.1038/s41567-023-02139-8

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

Financiamento: National Science Foundation, Air Force Office of Scientific Research, Grainger Graduate Fellowship, Takenaka Foundation Scholarship.