A capacidade das partículas de preservar relações de fase e existir em vários estados simultaneamente – um fenômeno análogo a todas as seções de uma onda sendo sincronizadas – tem sido objeto de investigação científica há muito tempo. Se a coerência quântica pode perdurar através de uma reação química onde as ligações se rompem dinamicamente

A capacidade das partículas de preservar relações de fase e existir em vários estados simultaneamente – um fenômeno análogo a todas as seções de uma onda sendo sincronizadas – tem sido objeto de investigação científica há muito tempo. Se a coerência quântica pode perdurar através de uma reação química onde as ligações se rompem dinamicamente e se formam tem sido um assunto em aberto.

Cientistas de Harvard mostraram pela primeira vez que a coerência quântica pode sobreviver em uma reação química ultrafria. Esses resultados demonstram como as reações químicas podem ser usadas para aplicações da ciência da informação quântica no futuro.

O coautor sênior Kang-Kuen Ni, Theodore William Richards, professor de Química e Física, disse: “Estou extremamente orgulhoso do nosso trabalho investigando uma propriedade fundamental de uma reação química onde realmente não sabíamos o resultado. Foi gratificante experimentar e descobrir o que a mãe natureza nos diz.”

Este estudo descreve como os cientistas analisaram uma reação química de troca de átomos particular empregando moléculas de bialkali 40K87Rb em um ambiente gelado. Nesta reação, duas moléculas de potássio-rubídio (KRb) reagem para criar produtos de potássio (K2) e rubídio (Rb2).

Ajustando os campos magnéticos, o grupo criou os primeiros spins nucleares em moléculas KRb em um estado emaranhado. Em seguida, utilizaram instrumentos especializados para analisar os resultados. O Ni Lab foi capaz de monitorar a complexa dinâmica quântica que sustenta o processo e o resultado da reação e rastrear os graus de liberdade de spin nuclear no ambiente gelado.

Usando resfriamento a laser e aprisionamento magnético, os cientistas resfriaram suas moléculas a apenas uma fração de grau acima do Zero Absoluto. Os cientistas podem isolar, alterar e identificar com precisão estados quânticos específicos porque as moléculas diminuem lentamente neste ambiente gelado – apenas 500 nanoKelvin. Esse controle facilita a visualização de fenômenos quânticos como coerência, emaranhamento e superposição, que são essenciais para entender como as moléculas se comportam e os processos químicos ocorrem.

Os cientistas puderam mapear e descrever os produtos de reação com precisão usando técnicas avançadas, como detecção de coincidência, permitindo identificar pares precisos de produtos de reação de eventos de reação individuais.

Eles notaram anteriormente uma distribuição de energia caótica entre os movimentos de translação e rotação das moléculas do produto. Consequentemente, é inesperado descobrir a ordem quântica na forma de coerência no grau de liberdade do spin nuclear, mantendo a mesma dinâmica de reação subjacente.

Os resultados mostraram que o grau de liberdade do spin nuclear manteve a coerência quântica durante o processo. O fato de a coerência persistir sugere que o emaranhamento do reagente foi transmitido para as moléculas do produto, K2 e Rb2. Além disso, os cientistas mostraram controle sobre a distribuição dos produtos da reação, causando propositalmente descoerência nos reagentes.

O coautor sênior Kang-Kuen Ni, professor de Química e Física Theodore William Richards, disse: “Os cientistas esperam provar rigorosamente que as moléculas do produto estavam emaranhadas, e ela está otimista de que a coerência quântica pode persistir em ambientes não ultrafrios.”

“Acreditamos que o resultado é geral e não necessariamente se limita a baixas temperaturas e pode acontecer em condições mais quentes e úmidas. Isso significa que há um mecanismo de reações químicas que não conhecíamos antes.”

O primeiro coautor e estudante de pós-graduação Lingbang Zhu vê o experimento como uma oportunidade de expandir a compreensão geral das pessoas sobre reações químicas.

“Estamos investigando fenômenos que possivelmente estão ocorrendo na natureza.” Zhu disse. “Podemos tentar ampliar nosso conceito para outras reações químicas. Embora a estrutura eletrônica do KRb possa ser diferente, a ideia de interferência em reações também pode ser generalizada para outros sistemas químicos.”

Referência da revista:

  1. Liu, X., Zhu, L., Luke, J., Arfor Houwman, J. J., Babin, M. C., Hu, G., & Ni, K. (2024). Interferência quântica em reações de troca de átomos. Ciência. DOI: 10.1126/science.adl6570
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