Reações químicas quânticas: Avanços na manipulação e controle
Recentemente, físicos têm se esforçado para alcançar o controle de reações químicas no regime quântico degenerado, onde o comprimento de onda de de Broglie das partículas se torna comparável ao espaçamento entre elas. Previsões teóricas sugerem que reações envolvendo várias partículas, especialmente reagentes bosônicos, nesse contexto, exibiriam coerência quântica e amplificação Bose, porém confirmar isso experimentalmente tem se mostrado desafiador.
Uma equipe de cientistas da Universidade de Chicago recentemente embarcou em uma jornada para observar essas elusivas reações químicas envolvendo múltiplas partículas no cenário quântico degenerado. Suas descobertas, detalhadas em uma publicação na Nature Physics, revelam a observação de reações coordenadas e coletivas envolvendo átomos e moléculas que passaram por condensação de Bose.
Cheng Chin, um dos pesquisadores envolvidos no estudo, afirmou: “A manipulação de reações moleculares em nível quântico é uma área em rápida evolução dentro da física atômica e molecular.”
“Moléculas frias são idealizadas para aplicações em medição precisa, informação quântica e controle de reações químicas em nível quântico. Um objetivo científico significativo é a superquímica quântica. Há mais de duas décadas, cientistas levantaram a hipótese de que reações químicas poderiam ser coletivamente influenciadas pela mecânica quântica quando tanto os reagentes quanto os produtos são preparados em um único estado quântico.”
A aspiração de aprimorar reações químicas por meio de mecanismos quânticos tem sido uma busca de longa data. Essas reações amplificadas, frequentemente chamadas de ‘super reações’, compartilham semelhanças com a supercondutividade ou o funcionamento dos lasers. No entanto, nesse contexto, o foco está em moléculas em vez de elétrons ou fótons.
A pesquisa recente de Cheng e seus colaboradores estava centrada na observação de super reações envolvendo muitas partículas em um gás quântico degenerado. O procedimento experimental envolveu a utilização de átomos de césio condensados de Bose. O césio, um elemento alcalino altamente eletropositivo, tem sido amplamente utilizado no desenvolvimento de tecnologias quânticas e relógios atômicos.
“Átomos de césio exibem reatividade química em baixas temperaturas e podem ser transformados em um condensado de Bose molecular com alta eficiência”, Chin detalhou. “Monitoramos a evolução da formação molecular dentro do condensado atômico e observamos uma coerência quântica significativa entre as moléculas e átomos.”
As investigações da equipe renderam uma série de descobertas notáveis. Os pesquisadores identificaram que as reações químicas super ocorrendo entre os átomos de césio condensados eram caracterizadas pela rápida criação de moléculas inicialmente. Conforme o sistema se aproximava do equilíbrio, essas moléculas exibiam oscilações em diferentes taxas. Notavelmente, amostras com concentrações mais densas de átomos exibiram oscilações mais rápidas, sugerindo a presença de amplificação Bose nas reações.
Chin enfatizou: “Nosso estudo estabelece novos princípios fundamentais para reações químicas dentro do intervalo quântico degenerado. Notavelmente, demonstramos que todos os átomos e moléculas podem participar coletivamente das reações como um todo unificado. Essas reações multi-partículas têm o potencial de controlar e reverter processos químicos sem dissipação de energia, permitindo a manipulação precisa das trajetórias das reações em direção aos produtos desejados.”
Essa investigação recente de Cheng e seus colaboradores enriquece a compreensão atual das reações químicas quânticas multi-partículas, oferecendo insights sobre estratégias plausíveis para gerenciar essas reações dentro do contexto de degeneração quântica. Os pesquisadores introduziram um modelo de campo quântico em seu artigo que captura efetivamente a dinâmica essencial dessas reações, potencialmente orientando experimentos futuros nesse campo de estudo especializado.
Chin elucidou ainda mais: “Nossos planos futuros incluem identificar novos princípios fundamentais que regem reações químicas dentro do domínio quântico multi-partículas. Por exemplo, as moléculas condensadas podem ser descritas por uma única função de onda, onde a fase dessa função de onda pode ser a chave para orientar o curso das reações químicas. Além disso, exploraremos os efeitos das interações multi-partículas em reações envolvendo moléculas mais complexas e poliatômicas.” [Phys]
