Hoje, muito da meca¢nica qua¢ntica éexplicada pela equação de Schra¶dinger, uma espanãcie de teoria mestra que governa as propriedades de tudo na Terra. “Mesmo sabendo que, em princa­pio, a meca¢nica qua¢ntica governa tudo”, disse Ni, “ver realmente édifa­cil e calcula¡-lo de fato équase impossí­vel”.

Com algumas suposições bem fundamentadas e algumas técnicas inovadoras, Ni e sua equipe podem alcana§ar o quase impossí­vel. Em seu laboratório, eles testam teorias atuais sobre reações químicas contra dados experimentais reais para chegar mais perto de um mapa verifica¡vel das leis que governam o misterioso reino qua¢ntico. E agora, com química ultracold - na qual a¡tomos e moléculas são resfriados a temperaturas um pouco acima do zero absoluto, onde se tornam altamente controla¡veis ​​e mais visa­veis - Ni e seus membros de laboratório coletaram dados experimentais reais de uma fronteira qua¢ntica inexplorada, fornecendo fortes evidaªncias de o que o modelo tea³rico acertou (e errou) e um roteiro para uma maior exploração das próximas camadas sombrias do espaço qua¢ntico.

“Conhecemos as leis subjacentes que governam tudo”, disse Ni. “Mas como quase tudo na Terra éfeito de pelo menos três ou mais a¡tomos, essas leis rapidamente se tornam complexas demais para serem resolvidas.”

Em seu estudo relatado na Nature , Ni e sua equipe começam a identificar todos os possa­veis resultados do estado de energia, do ini­cio ao fim, de uma reação entre duas moléculas de pota¡ssio e ruba­dio - uma reação mais complexa do que havia sido estudada no reino qua¢ntico. Isso não étarefa fa¡cil: em seunívelmais fundamental, uma reação entre quatro moléculas tem um grande número deDimensões (os elanãtrons girando em torno de cada a¡tomo, por exemplo, podem estar em um número quase infinito de localizações simultaneamente). Essa dimensionalidade muito alta torna o ca¡lculo de todas as trajeta³rias de reação possa­veis impossí­vel com a tecnologia atual.

“Calcular exatamente como a energia éredistribua­da durante uma reação entre quatro a¡tomos estãoalém do poder dos melhores computadores de hoje”, disse Ni. Um computador qua¢ntico pode ser a única ferramenta que poderia um dia realizar um ca¡lculo tão complexo.

Nesse a­nterim, calcular o impossí­vel requer algumas suposições e aproximações bem fundamentadas (escolher um local para um desses elanãtrons, por exemplo) e técnicas especializadas que garantem a Ni e sua equipe o controle final sobre sua reação.

Uma dessas técnicas foi outra descoberta recente do laboratório de Ni: ela e sua equipe exploraram uma caracterí­stica confia¡vel das moléculas - seu spin nuclear altamente esta¡vel - para controlar o estado qua¢ntico das moléculas reagentes atéo produto, trabalho que relataram em um recente estudo publicado na Nature Chemistry . Eles também descobriram uma maneira de detectar produtos de um aºnico evento de reação de colisão, um feito difa­cil quando 10.000 moléculas poderiam estar reagindo simultaneamente. Com esses dois novos manãtodos, a equipe pa´de identificar o espectro aºnico e o estado qua¢ntico de cada molanãcula de produto, o tipo de controle preciso necessa¡rio para medir todos os 57 caminhos que sua reação de pota¡ssio-ruba­dio poderia tomar.

Durante vários meses durante a pandemia COVID-19, a equipe realizou experimentos para coletar dados em cada um dos 57 canais de reação possa­veis, repetindo cada canal uma vez a cada minuto por vários dias antes de passar para o pra³ximo. Felizmente, uma vez que o experimento foi configurado, ele poderia ser executado remotamente: os membros do laboratório podiam ficar em casa, mantendo a reocupação do laboratório nos padraµes COVID-19, enquanto o sistema era ligado.

“O teste”, disse Matthew Nichols, pa³s-doutorado no laboratório Ni e autor de ambos os artigos, “indica uma boa concorda¢ncia entre a medição e o modelo para um subconjunto contendo 50 pares de estados, mas revela desvios significativos em vários pares de estados . ”

Em outras palavras, seus dados experimentais confirmaram que as previsaµes anteriores baseadas na teoria estata­stica (uma muito menos complexa do que a equação de Schra¶dinger) são precisas - principalmente. Usando seus dados, a equipe poderia medir a probabilidade de que sua reação química levaria cada um dos 57 canais de reação. Em seguida, eles compararam suas porcentagens com o modelo estata­stico. Apenas sete dos 57 mostraram uma divergaªncia significativa o suficiente para desafiar a teoria.

“Temos dados que expandem essa fronteira”, disse Ni. “Para explicar os sete canais em desvio, precisamos calcular a equação de Schra¶dinger, o que ainda éimpossí­vel. Portanto, agora, a teoria tem que se atualizar e propor novas maneiras de realizar com eficiência esses ca¡lculos qua¢nticos exatos. ”

Em seguida, Ni e sua equipe planejam reduzir seu experimento e analisar uma reação entre apenas três a¡tomos (uma molanãcula éfeita de dois a¡tomos, que éentão forçada a reagir com um aºnico a¡tomo). Em teoria, essa reação, que tem muito menosDimensões do que uma reação de quatro a¡tomos, deveria ser mais fa¡cil de calcular e estudar no reino qua¢ntico. Mesmo assim, a equipe já descobriu algo estranho: a fase intermedia¡ria da reação vive por muitas ordens de magnitude mais do que a teoria prevaª.

“Já existe mistanãrio”, disse Ni. “Depende dos teóricos agora.”