Un estudio demuestra reacciones químicas de muchos cuerpos en un gas cuántico degenerado.
13 de agosto de 2023 característica
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por Ingrid Fadelli, Phys.org
En los últimos años, los físicos han estado tratando de lograr el control de las reacciones químicas en el régimen cuántico degenerado, donde la longitud de onda de De Broglie de las partículas se vuelve comparable al espaciamiento entre ellas. Las predicciones teóricas sugieren que las reacciones de muchos cuerpos entre reactivos bosónicos en este régimen estarán marcadas por la coherencia cuántica y la mejora de Bose, sin embargo, esto ha sido difícil de validar experimentalmente. Los investigadores de la Universidad de Chicago recientemente se propusieron observar estas elusivas reacciones químicas de muchos cuerpos en el régimen cuántico degenerado. Su artículo, publicado en Nature Physics, presenta la observación de reacciones coherentes y colectivas entre átomos y moléculas condensados de Bose.
"El control cuántico de las reacciones moleculares es un área de investigación en rápido progreso en física atómica y molecular", dijo Cheng Chin, uno de los investigadores que llevó a cabo el estudio, a Phys.org.
"Las personas imaginan aplicaciones de moléculas frías en metrología de precisión, información cuántica y control cuántico de reacciones químicas. Entre todos los objetivos, la superquímica cuántica es un importante objetivo científico. Hace más de 20 años, los investigadores predijeron que las reacciones químicas pueden ser mejoradas colectivamente por la mecánica cuántica cuando los reactivos y productos se preparan en un solo estado cuántico".
La mejora de las reacciones químicas a través de procesos mecánicos cuánticos ha sido un objetivo de investigación muy buscado durante algún tiempo. Estas reacciones químicas mejoradas, denominadas "super reacciones", se asemejan de cerca a la superconductividad o al funcionamiento de los láseres, pero con moléculas en lugar de electrones o fotones, respectivamente.
El objetivo principal del trabajo reciente de Chin y sus colegas fue observar super reacciones de muchos cuerpos en un gas cuántico degenerado. Para llevar a cabo sus experimentos, utilizaron específicamente átomos de cesio condensados de Bose, un elemento fuertemente electropositivo y alcalino que se ha utilizado con frecuencia para desarrollar relojes atómicos y tecnologías cuánticas.
"Los átomos de cesio son químicamente reactivos a bajas temperaturas y se pueden convertir en un condensado molecular de Bose con alta eficiencia", explicó Chin. "Monitoreamos la dinámica de la formación de moléculas en el condensado atómico y observamos coherencia cuántica macroscópica entre los átomos y las moléculas".
Los experimentos del equipo arrojaron una serie de observaciones interesantes. Descubrieron que las reacciones químicas super en los átomos de cesio condensado se caracterizaron inicialmente por la rápida formación de moléculas. A medida que se acercaban al equilibrio, estas moléculas oscilaban a diferentes velocidades. Las muestras con una mayor densidad de átomos parecían oscilar más rápido, lo que sugiere una mejora bosónica de las reacciones.
"Nuestro trabajo demuestra nuevos principios rectores para las reacciones químicas en el régimen cuántico degenerado", dijo Chin. "En particular, mostramos que todos los átomos y moléculas pueden reaccionar colectivamente como un todo. Estas reacciones de muchos cuerpos prometen controles para avanzar y revertir la química sin disipación, y para dirigir la ruta de reacción hacia productos deseados".
El trabajo reciente de Chin y sus colegas contribuye a la comprensión actual de las reacciones químicas de muchos cuerpos en el régimen cuántico, delineando una ruta viable para controlar estas reacciones en la degeneración cuántica. En su artículo, los investigadores presentan un modelo de campo cuántico que captura bien la dinámica clave de estas reacciones y que podría guiar futuros experimentos en este campo de estudio.
"Ahora planeamos identificar nuevas leyes fundamentales que gobiernen las reacciones químicas en el régimen cuántico de muchos cuerpos", agregó Chin. "Por ejemplo, las moléculas condensadas se describen por una única función de onda y la fase de la función de onda puede ser clave para controlar la dirección de la reacción química. Además, investigaremos los efectos de muchos cuerpos en las reacciones de moléculas más complejas y poliatómicas".
Información del diario: Nature Physics
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