Gli scienziati dell'Università di Chicago osservano le prime prove della "superchimica quantistica" in laboratorio

Di Louise Lerner

4 agosto 2023

Un team dell’Università di Chicago ha annunciato la prima prova dell’esistenza della “superchimica quantistica”, un fenomeno in cui le particelle nello stesso stato quantistico subiscono reazioni accelerate collettive. L'effetto era stato previsto, ma mai osservato in laboratorio.

I risultati, pubblicati il ​​24 luglio su Nature Physics, aprono la porta a un nuovo campo. Gli scienziati sono fortemente interessati a quelle che sono note come reazioni chimiche “potenziate quantistica”, che potrebbero avere applicazioni nella chimica quantistica, nell’informatica quantistica e in altre tecnologie, nonché nella migliore comprensione delle leggi dell’universo.

"Ciò che abbiamo visto era in linea con le previsioni teoriche", ha detto Cheng Chin, professore di fisica e membro del James Franck Institute e dell'Enrico Fermi Institute, il cui laboratorio ha condotto la ricerca. "Questo è stato un obiettivo scientifico per 20 anni, quindi è un'era molto emozionante."

Il laboratorio di Chin è specializzato nel lavorare con particelle mantenute a temperature molto, molto basse. Vicino allo zero assoluto, le particelle possono collegarsi in modo da trovarsi tutte nello stesso stato quantico, dove possono mostrare abilità e comportamenti insoliti.

Era stato teorizzato che un gruppo di atomi e molecole nello stesso stato quantistico si sarebbe comportato diversamente durante le reazioni chimiche, ma la difficoltà nell'orchestrare l'esperimento fece sì che non fosse mai stato osservato.

Il gruppo di Chin ha esperienza nel raggruppare gli atomi in stati quantistici, ma le molecole sono più grandi e molto più complesse degli atomi, quindi il gruppo ha dovuto inventare nuove tecniche per contrastarle.

Negli esperimenti, gli scienziati hanno raffreddato gli atomi di cesio e li hanno portati nello stesso stato quantistico. Successivamente, hanno osservato come gli atomi reagivano per formare molecole.

Nella chimica ordinaria, i singoli atomi si scontrano e c'è una probabilità che ogni collisione formi una molecola. Tuttavia, la meccanica quantistica prevede che gli atomi in uno stato quantistico eseguano invece azioni collettivamente.

"Non si tratta più una reazione chimica come una collisione tra particelle indipendenti, ma come un processo collettivo", ha spiegato Chin. "Tutti stanno reagendo insieme, nel loro insieme."

Una conseguenza è che la reazione avviene più velocemente di quanto avverrebbe in condizioni normali. Infatti, maggiore è il numero di atomi nel sistema, più rapida sarà la reazione.

Un'altra conseguenza è che le molecole finali condividono lo stesso stato molecolare. Chin ha spiegato che le stesse molecole in stati diversi possono avere proprietà fisiche e chimiche diverse, ma ci sono momenti in cui si desidera creare un lotto di molecole in uno stato specifico. Nella chimica tradizionale, stai lanciando i dadi. "Ma con questa tecnica, puoi portare le molecole in uno stato identico", ha detto.

Shu Nagata, uno studente laureato e coautore dell'articolo, ha aggiunto di aver visto prove che la reazione stava avvenendo come un'interazione a tre corpi più spesso che come un'interazione a due corpi. Cioè, tre atomi si scontrerebbero; due formerebbero una molecola e la terza rimarrebbe singola. Ma il terzo ha avuto un ruolo nella reazione.

Gli scienziati sperano che la svolta sia l’inizio di una nuova era. Sebbene questo esperimento sia stato eseguito con semplici molecole a due atomi, hanno in programma di arrivare fino a gestire molecole più grandi e complesse.

"Quanto lontano possiamo spingere la nostra comprensione e la nostra conoscenza dell'ingegneria quantistica, in molecole più complicate, è una delle principali direzioni di ricerca in questa comunità scientifica", ha detto Chin.

Alcuni nel settore hanno immaginato di utilizzare molecole come qubit nei computer quantistici o nell’elaborazione delle informazioni quantistiche, per esempio. Altri scienziati li stanno esplorando come porte per misurazioni ancora più precise di leggi e interazioni fondamentali, come la verifica delle leggi fondamentali dell’universo come la violazione della simmetria.

Anche Zhendong Zhang (PhD'22, ora alla Stanford University) e Kai-Xuan Yao (PhD'22, ora alla Citadel) sono stati coautori dell'articolo.