Os pesquisadores projetam novos experimentos para mapear e testar o misterioso reino qua¢ntico
Kang-Kuen Ni (a esquerda) e o colega de pa³s-doutorado Matthew A. Nichols fazem
uma consulta prática em seu laboratório.
Um cirurgia£o cardaaco não precisa dominar a meca¢nica qua¢ntica para realizar operações bem-sucedidas. Mesmo os químicos nem sempre precisam conhecer esses princapios fundamentais para estudar as reações químicas. Mas o funcionamento do mundo ata´mico e subata´mico éfundamental para nossas vidas e para Kang-Kuen Ni , o Professor Associado de Química e Biologia Química e de Fasica Morris Kahn, explora¡-lo anã, como ir ao Espaço, uma busca para descobrir um vasto e novo reino misterioso.
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 tudoâ€, disse Ni, “ver realmente édifacil e calcula¡-lo de fato équase impossívelâ€.
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 tudoâ€, 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.â€
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 hojeâ€, 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 testeâ€, 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 . â€
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 fronteiraâ€, 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. â€
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 mistanãrioâ€, disse Ni. “Depende dos teóricos agora.â€
Este trabalho foi apoiado pelo Departamento de Energia, a David and Lucile Packard Foundation, a Arnold O. Beckman Postdoctoral Fellowship in Chemical Sciences e a National Natural Science Foundation of China.