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 após colidirem umas com as outras por acaso.
“O que vimos está de acordo 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 a energia térmica, vibrando dentro dos limites de sua estrutura atômica ou colidindo com outras moléculas em uma substância. Resfriar as partículas a temperaturas ultrafrias leva-as a um estado menos caótico; prendê-los 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 até começavam a se unir em conglomerados com uma identidade quântica compartilhada; suas propriedades individuais lavadas 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 também encontraram uma maneira de colocá-los em estados quânticos compartilhados.
A partir daí, os cientistas previram que, se as moléculas se unirem ou se unirem quando atraídas para o mesmo estado quântico, poderia haver um novo tipo de química dentro da paisagem quântica.
Em alguns casos, esse estado quântico compartilhado, conhecido como degenerescência quântica, suprimiu as reações químicas a uma taxa muito maior do que as temperaturas frias geralmente retardam as reações químicas.
Os pesquisadores também pensaram que as moléculas que compartilham um estado quântico podem produzir reações químicas aceleradas se essas moléculas estiverem “acopladas” e reagindo como uma só. No entanto, como acontece com qualquer experimento que investiga o reino quântico, esse comportamento teorizado tem sido difícil de observar.
“A observação desses fenômenos de muitos corpos, também conhecidos como ‘superquímica’, tem sido evasiva até agora”, escrevem Chin e seus colegas em seu artigo publicado .
Em sua tentativa, Chin e seus colegas mantiveram um gás ultrafrio de átomos de césio 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 de fato seguem regras diferentes em um gás quântico degenerado versus um gás normal.
Abaixo de uma temperatura crítica, a equipe observou uma queda acentuada nas colisões de partículas. Enquanto isso, eles mediram uma rápida formação de moléculas à medida que os átomos desapareciam na reação química – as partículas haviam entrado em um regime quântico degenerado e as reações aconteciam mais rapidamente do que em condições normais.
“A transição acentuada da taxa de formação da molécula em torno da temperatura crítica Tc indica diferentes leis nos regimes clássico e quântico degenerado”, escrevem Chin e seus colegas.
Depois que o campo magnético foi desligado, os átomos e moléculas restantes também permaneceram em um acoplamento coerente oscilando por vários milissegundos. Outros experimentos revelaram o mecanismo de reação subjacente, que os pesquisadores descrevem como evidência de um processo químico “aprimorado quântico”.
Os experimentos, no entanto, envolveram a criação de moléculas simples de dois átomos, então as descobertas da equipe precisarão ser repetidas antes que possamos ter certeza do que estamos vendo. Experimentos com moléculas maiores e mais complexas também estão em jogo.
“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”, concluem os pesquisadores.
Traduzido por Mateus Lynniker de ScienceAlert
