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Físicos orientam reações químicas por campos magnéticos e interferência quântica
Novas pesquisas fornecem insights sobre como a mecânica quântica pode controlar a química ultrafria.
Por Departamento de Física - 10/03/2022


Pesquisadores do MIT-Harvard Center for Ultracold Atoms: (da esquerda para a direita) Yu-Kun Lu, Juliana Park, Alan Jamison, Wolfgang Ketterle e Hyumgmok Son. Créditos: Foto cortesia do Grupo Ketterle/MIT CUA

Físicos do MIT-Harvard Center for Ultracold Atoms (CUA) desenvolveram uma nova abordagem para controlar o resultado de reações químicas. Isso é feito tradicionalmente usando catalisadores de temperatura e químicos, ou mais recentemente com campos externos (campos elétricos ou magnéticos ou feixes de laser).

Os físicos do MIT CUA agora adicionaram uma nova reviravolta a isso: eles usaram pequenas mudanças em um campo magnético para fazer mudanças sutis na função de onda da mecânica quântica das partículas em colisão durante a reação química. Eles mostram como essa técnica pode direcionar as reações para um resultado diferente: aumentar ou suprimir reações.

Isso só foi possível trabalhando em temperaturas ultrabaixas a um milionésimo de grau acima do zero absoluto, onde colisões e reações químicas ocorrem em estados quânticos únicos. Sua pesquisa foi publicada na Science em 4 de março.

Os pesquisadores do MIT CUA prepararam uma nuvem ultrafria com uma mistura de átomos de sódio e a molécula diatômica sódio-lítio em um estado quântico específico onde todos os momentos magnéticos (ou spin) dos elétrons foram alinhados por um forte campo magnético.

A presença de reações químicas foi observada a partir do decaimento do número de moléculas remanescentes. Quando os pesquisadores variaram o campo magnético, encontraram mudanças dramáticas na taxa de dispersão reativa de uma maneira que não havia sido observada antes. A taxa de reação mudou devido a uma ressonância entre dois estados quânticos de partículas em colisão, chamada de ressonância de Feshbach.

Wolfgang Ketterle, professor de física John D. MacArthur no MIT e líder da equipe do MIT CUA, explica: "Há mais de 20 anos, meu grupo observou as primeiras ressonâncias de Feshbach em condensados ​​de Bose-Einstein, uma forma extrema e fria de É incrível ver que esse fenômeno agora pode ser usado para controlar a química!”

O elemento chave são as mudanças na fase da função de onda dos átomos e moléculas quando colidem. Colisões em temperaturas ultrabaixas podem envolver vários saltos para frente e para trás. A interferência quântica ocorre entre os efeitos desses saltos, que podem ser construtivos ou destrutivos (dependendo da fase da função de onda), e aumenta ou suprime reações por fatores de cerca de 100.

Hyungmok Son, ex-aluno de pós-graduação da CUA e principal autor do estudo, diz que “a interferência quântica é análoga à interferência da luz em uma cavidade óptica, ou um feixe de laser saltando entre dois espelhos”. Son conseguiu explicar todas as observações usando algumas equações simples baseadas nessa analogia óptica. “Essa análise nos deu informações microscópicas sobre o processo de espalhamento reativo, que não podem ser obtidas apenas por cálculos”, acrescenta Son.

“No momento, estamos estudando sistemas simples – uma molécula diatômica e um átomo, porque moléculas maiores seriam muito mais difíceis de controlar e descrever. O objetivo de longo prazo de nossa pesquisa é melhorar nossa compreensão de como os processos químicos podem ser controlados em sistemas e ambientes mais gerais”, acrescenta Ketterle.

O artigo foi de coautoria de Son, Ketterle, estudantes de pós-graduação do MIT Juliana Park e Yukun Lu, ex-professor pós-doutorado Alan Jamison da Universidade de Waterloo e professor Tijs Karman da Universidade Radboud em Nijmegen, Holanda. Todos, exceto Karman, são ou foram pesquisadores do MIT-Harvard Center for Ultracold Atoms. A equipe do MIT é afiliada ao Departamento de Física do MIT e ao Laboratório de Pesquisa em Eletrônica (RLE).

Esta pesquisa foi financiada, em parte, pela National Science Foundation, pelo Departamento de Defesa dos EUA e pela Samsung Scholarship.

 

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