Tecnologia Científica

Mapeando a fronteira quântica, uma camada de cada vez
Os pesquisadores projetam novos experimentos para mapear e testar o misterioso reino quântico
Por Caitlin McDermott-Murphy - 20/05/2021


Kang-Kuen Ni (à esquerda) e o colega de pós-doutorado Matthew A. Nichols fazem
uma consulta prática em seu laboratório.

Um cirurgião cardíaco não precisa dominar a mecânica quântica para realizar operações bem-sucedidas. Mesmo os químicos nem sempre precisam conhecer esses princípios fundamentais para estudar as reações químicas. Mas o funcionamento do mundo atômico e subatômico é fundamental para nossas vidas e para Kang-Kuen Ni , o Professor Associado de Química e Biologia Química e de Física Morris Kahn, explorá-lo é, como ir ao espaço, uma busca para descobrir um vasto e novo reino misterioso.

Hoje, muito da mecânica quântica é explicada pela equação de Schrödinger, uma espécie de teoria mestra que governa as propriedades de tudo na Terra. “Mesmo sabendo que, em princípio, a mecânica quântica governa tudo”, disse Ni, “ver realmente é difícil e calculá-lo de fato é quase impossível”.

Com algumas suposições bem fundamentadas e algumas técnicas inovadoras, Ni e sua equipe podem alcançar o quase impossível. Em seu laboratório, eles testam teorias atuais sobre reações químicas contra dados experimentais reais para chegar mais perto de um mapa verificável das leis que governam o misterioso reino quântico. E agora, com química ultracold - na qual átomos e moléculas são resfriados a temperaturas um pouco acima do zero absoluto, onde se tornam altamente controláveis ​​e mais visíveis - Ni e seus membros de laboratório coletaram dados experimentais reais de uma fronteira quântica inexplorada, fornecendo fortes evidências de o que o modelo teórico acertou (e errou) e um roteiro para uma maior exploração das próximas camadas sombrias do espaço quântico.

“Conhecemos as leis subjacentes que governam tudo”, disse Ni. “Mas como quase tudo na Terra é feito de pelo menos três ou mais átomos, essas leis rapidamente se tornam complexas demais para serem resolvidas.”

Em seu estudo relatado na Nature , Ni e sua equipe começaram a identificar todos os possíveis resultados do estado de energia, do início ao fim, de uma reação entre duas moléculas de potássio e rubídio - uma reação mais complexa do que havia sido estudada no reino quântico. Isso não é tarefa fácil: em seu nível mais fundamental, uma reação entre quatro moléculas tem um grande número de dimensões (os elétrons girando em torno de cada átomo, por exemplo, podem estar em um número quase infinito de localizações simultaneamente). Essa dimensionalidade muito alta torna o cálculo de todas as trajetórias de reação possíveis impossível com a tecnologia atual.

“Calcular exatamente como a energia é redistribuída durante uma reação entre quatro átomos está além do poder dos melhores computadores de hoje”, disse Ni. Um computador quântico pode ser a única ferramenta que poderia um dia realizar um cálculo tão complexo.

Nesse ínterim, calcular o impossível requer algumas suposições e aproximações bem fundamentadas (escolher um local para um desses elétrons, por exemplo) e técnicas especializadas que garantem a Ni e sua equipe o controle final sobre sua reação.

Uma dessas técnicas foi outra descoberta recente do laboratório de Ni: ela e sua equipe exploraram uma característica confiável das moléculas - seu spin nuclear altamente estável - para controlar o estado quântico das moléculas reagentes até o produto, trabalho que relataram em um recente estudo publicado na Nature Chemistry . Eles também descobriram uma maneira de detectar produtos de um único evento de reação de colisão, um feito difícil quando 10.000 moléculas poderiam estar reagindo simultaneamente. Com esses dois novos métodos, a equipe pôde identificar o espectro único e o estado quântico de cada molécula de produto, o tipo de controle preciso necessário para medir todos os 57 caminhos que sua reação de potássio-rubídio poderia tomar.

Durante vários meses durante a pandemia COVID-19, a equipe realizou experimentos para coletar dados em cada um dos 57 canais de reação possíveis, repetindo cada canal uma vez a cada minuto por vários dias antes de passar para o próximo. Felizmente, uma vez que o experimento foi configurado, ele poderia ser executado remotamente: os membros do laboratório podiam ficar em casa, mantendo a reocupação do laboratório nos padrões COVID-19, enquanto o sistema era ligado.

“O teste”, disse Matthew Nichols, pós-doutorado no laboratório Ni e autor de ambos os artigos, “indica uma boa concordância entre a medição e o modelo para um subconjunto contendo 50 pares de estados, mas revela desvios significativos em vários pares de estados . ”

Em outras palavras, seus dados experimentais confirmaram que as previsões anteriores baseadas na teoria estatística (uma muito menos complexa do que a equação de Schrödinger) são precisas - principalmente. Usando seus dados, a equipe poderia medir a probabilidade de que sua reação química levaria cada um dos 57 canais de reação. Em seguida, eles compararam suas porcentagens com o modelo estatístico. Apenas sete dos 57 mostraram uma divergência significativa o suficiente para desafiar a teoria.

“Temos dados que expandem essa fronteira”, disse Ni. “Para explicar os sete canais em desvio, precisamos calcular a equação de Schrödinger, o que ainda é impossível. Portanto, agora, a teoria tem que se atualizar e propor novas maneiras de realizar com eficiência esses cálculos quânticos exatos. ”

Em seguida, Ni e sua equipe planejam reduzir seu experimento e analisar uma reação entre apenas três átomos (uma molécula é feita de dois átomos, que é então forçada a reagir com um único átomo). Em teoria, essa reação, que tem muito menos dimensões do que uma reação de quatro átomos, deveria ser mais fácil de calcular e estudar no reino quântico. Mesmo assim, a equipe já descobriu algo estranho: a fase intermediária da reação vive por muitas ordens de magnitude mais do que a teoria prevê.

“Já existe mistério”, disse Ni. “Depende dos teóricos agora.”

Este trabalho foi apoiado pelo Departamento de Energia, a David and Lucile Packard Foundation, a Arnold O. Beckman Postdoctoral Fellowship in Chemical Sciences e a National Natural Science Foundation of China.

 

.
.

Leia mais a seguir