Descifrando la superquímica cuántica: Un viaje al mundo de las moléculas ultrafrías

¡Prepárate para sumergirte en un fascinante mundo de la química cuántica! Hace tan solo unas semanas, científicos de la Universidad de Chicago, en Estados Unidos, lograron lo impensado: la primera observación de la superquímica cuántica.

En varias ocasiones se había teorizado que un grupo de átomos y moléculas en el mismo estado cuántico se podrían comportar de formas diferentes, pero al tratarse de un experimento complicado, los equipos científicos no habían podido realizarlo… hasta ahora.

Publicado en la revista Nature Physics, un nuevo prometedor estudio habla sobre las “reacciones de muchos cuerpos que involucran reactivos y productos bosónicos, como los condensados ​​de Bose-Einstein atómicos y moleculares acoplados, la coherencia cuántica y la mejora bosónica son características claves de la dinámica de la reacción”.

UChicago scientists observe first evidence of ‘quantum superchemistry’ in the laboratory https://t.co/Y0BjtFtkgT pic.twitter.com/XNqrqu8AIz

— UChicago News (@UChicagoNews) August 4, 2023

Ahora, para quienes no somos entendidos en este tema, en Futuro 360 conversamos con un experto. El doctor en Físicaquímica Molecular, director del Departamento de Física (DFC-UChile) de la Facultad de Ciencias de la Universidad de Chile, Carlos Cárdenas, nos ayuda a comprender más sobre este estudio.

Pero primero, partamos por lo básico.

Del Clásico al Cuántico: Dos mundos diferentes

Comencemos distinguiendo entre el mundo clásico y el mundo cuántico.

En el mundo clásico, las leyes de Newton gobiernan objetos macroscópicos -grandes- como pelotas y planetas. Sin embargo, en el mundo cuántico, donde entran en juego las partículas subatómicas como electrones, las reglas son diferentes y a menudo desconcertantes.

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La diferencia clave entre estos dos mundos radica en la masa y la energía de las partículas involucradas. El mundo clásico permite conocer con certeza dónde se encuentra un objeto, mientras que el mundo cuántico presenta desafíos debido a la incertidumbre sobre ciertas propiedades.

Cuando la química se vuelve cuántica: Moléculas y propiedades

Acá debemos comprender primero que el experimento realizado por los expertos de la Universidad de Chicago es el resultado de la utilización de moléculas y átomos en un condensado de Bose-Einstein (el quinto estado de la materia) a temperaturas extremadamente bajas. Allí, las partículas se fusionaron en una entidad mecánica cuántica única.

Crédito: PICTOLINE

¿De qué hablamos? El Dr. Cárdenas detalla que las moléculas, que se encuentran en una región intermedia entre el mundo clásico y el cuántico, pueden mostrar características cuánticas, pero solo a temperaturas extremadamente bajas cercanas al cero absoluto. A estas temperaturas, las interacciones cuánticas entre átomos y moléculas se intensifican, revelando propiedades cuánticas únicas.

Al enfriar las moléculas a temperaturas extremadamente bajas, las partículas alcanzan un estado cuántico llamado condensado de Bose-Einstein. En este estado, las partículas están conectadas y funcionan en armonía, siguiendo las leyes de la mecánica cuántica.

“Cuando las moléculas están a temperatura y presión ambiente normal, la interacción cuántica es muy, muy pequeña. Mientras que si bajo la temperatura mucho, esa interacción cuántica aumenta dramáticamente”, agregó el académico.

Esto conduce a fenómenos sorprendentes, como la interferencia cuántica entre partículas distantes y su capacidad para actuar coordinadamente. O en este caso, a la observación de una superquímica cuántica, ya que gracias a la química en ultrafrío lograron apreciar que las reacciones químicas se llevaban a cabo en conjunto, y no de manera individual.

Superquímica Cuántica: Más allá de la química convencional

Una vez que se encuentran en temperaturas cerca del cero absoluto, las moléculas abandonan su comportamiento clásico y comienzan a operar plenamente en el ámbito cuántico.

La superquímica cuántica permite reacciones químicas a velocidades y en condiciones que no son posibles en el mundo clásico convencional. Además, ofrece control y precisión excepcionales sobre las moléculas y átomos involucrados.

“En ese sentido podemos decir que superquímica cuántica se enfoca en las reacciones químicas entre átomos o moléculas en el mismo estado cuántico, a temperaturas extremadamente frías, cercanas al cero absoluto, lo que provoca que las reacciones sean más rápidas y precisas que a temperaturas convencionales, ya que las partículas están en su nivel de energía fundamental”, puntualiza el Dr. Cárdenas.

¿En qué podríamos aplicar la superquímica cuántica?

Las aplicaciones potenciales de la superquímica cuántica son vastas, desde la manipulación de estados cuánticos de la materia hasta avances en la computación cuántica.

En lo que se refiere a la computación cuántica, el experto nos detalla que “estos estados cuánticos permiten el almacenamiento y procesamiento de información de manera más rápida y eficiente que en las computadoras clásicas”.

Aunque la investigación presenta desafíos tecnológicos y de temperatura, el académico detalla que su potencial para revolucionar la química y la física es prometedor.

A medida que exploramos el emocionante territorio de la superquímica cuántica, emerge un mundo donde las leyes familiares ceden paso a las reglas sorprendentes de la mecánica cuántica. En un futuro no muy lejano, esta rama innovadora podría cambiar la forma en que comprendemos y aplicamos la química en nuestras vidas.