Cientistas de Harvard demonstraram que a coerência quântica pode persistir através de reações químicas em moléculas ultrafrias, sugerindo aplicações mais amplas para a ciência da informação quântica e potencialmente em condições ambientais mais comuns.
Se você ampliar uma reação química no nível quântico, notará que as partículas se comportam como ondas que podem ondular e colidir. Os cientistas há muito procuram compreender a coerência quântica, a capacidade das partículas de manter relações de fase e existir em vários estados simultaneamente; isso é semelhante a todas as partes de uma onda sendo sincronizadas. Tem sido uma questão em aberto se a coerência quântica pode persistir através de uma reação química onde as ligações se quebram e se formam dinamicamente.
Agora, pela primeira vez, uma equipa de cientistas de Harvard demonstrou a sobrevivência da coerência quântica numa reação química envolvendo moléculas ultrafrias. Essas descobertas destacam o potencial do aproveitamento de reações químicas para aplicações futuras na ciência da informação quântica.
“Estou extremamente orgulhoso de nosso trabalho investigando uma propriedade fundamental de uma reação química onde realmente não sabíamos qual seria o resultado”, disse o coautor sênior Kang-Kuen Ni, professor de química Theodore William Richards e professor de Física. “Foi muito gratificante fazer uma experiência para descobrir o que a Mãe Natureza nos diz.”
Dinâmica Quântica Observada
No artigo, publicado na Science, os pesquisadores detalharam como estudaram um determinado átomo-troca reação química em um ambiente ultrafrio envolvendo moléculas biálcalis 40K87Rb, onde duas moléculas de potássio-rubídio (KRb) reagem para formar produtos de potássio (K2) e rubídio (Rb2). A equipe preparou os spins nucleares iniciais nas moléculas de KRb em estado emaranhado, manipulando campos magnéticos e depois examinou o resultado com ferramentas especializadas. No ambiente ultrafrio, o Ni Lab foi capaz de rastrear os graus de liberdade do spin nuclear e observar a intrincada dinâmica quântica subjacente ao processo e resultado da reação.
O trabalho foi realizado por vários membros do Laboratório de Ni, incluindo Yi-Xiang Liu, Lingbang Zhu, Jeshurun Luke, JJ Arfor Houwman, Mark C. Babin e Ming-Guang Hu.
Utilizando resfriamento a laser e captura magnética, a equipe conseguiu resfriar suas moléculas apenas uma fração de grau acima do Zero Absoluto. Neste ambiente ultrafrio, de apenas 500 nanoKelvin, as moléculas ficam mais lentas, permitindo aos cientistas isolar, manipular e detectar estados quânticos individuais com notável precisão. Esse controle facilita a observação de efeitos quânticos como superposição, emaranhamento e coerência, que desempenham papéis fundamentais no comportamento de moléculas e reações químicas.
Ao empregar técnicas sofisticadas, incluindo detecção de coincidências, onde os pesquisadores podem escolher os pares exatos de produtos de reação a partir de eventos de reação individuais, os pesquisadores conseguiram mapear e descrever os produtos de reação com precisão. Anteriormente, eles observaram que a partição de energia entre o movimento rotacional e translacional das moléculas do produto era caótica (Natureza 593, 379-384 (2021)). Portanto, é surpreendente encontrar ordem quântica na forma de coerência na mesma dinâmica de reação subjacente, desta vez no grau de liberdade do spin nuclear.
Os resultados revelaram que a coerência quântica foi preservada dentro do grau de liberdade do spin nuclear durante toda a reação. A sobrevivência da coerência implicou que as moléculas do produto, K2 e Rb2, estivessem num estado emaranhado, herdando o emaranhamento dos reagentes. Além disso, ao induzir deliberadamente a decoerência nos reagentes, os pesquisadores demonstraram controle sobre a distribuição do produto da reação.
No futuro, Ni espera provar rigorosamente que as moléculas do produto estavam emaranhadas e está otimista de que a coerência quântica pode persistir em ambientes não ultrafrios.
“Acreditamos que o resultado é geral e não necessariamente limitado a baixas temperaturas e pode acontecer em condições mais quentes e úmidas”, disse Ni. “Isso significa que existe um mecanismo para reações químicas que não conhecíamos antes.”
O primeiro coautor e estudante de pós-graduação, Lingbang Zhu, vê o experimento como uma oportunidade para expandir a compreensão das pessoas sobre as reações químicas em geral.
“Estamos investigando fenômenos que possivelmente ocorrem na natureza”, disse Zhu. “Podemos tentar ampliar nosso conceito para outras reações químicas. Embora a estrutura eletrônica do KRb possa ser diferente, a ideia de interferência nas reações também pode ser generalizada para outros sistemas químicos.”
Referência: “Teste de precisão de dinâmica estatística com química ultracolda estado a estado” por Yu Liu, Ming-Guang Hu, Matthew A. Nichols, Dongzheng Yang, Daiqian Xie, Hua Guo e Kang-Kuen Ni, 19 de maio de 2021, Natureza.
DOI: 10.1038/s41586-021-03459-6
