Diseñan nuevos experimentos químicos para mapear y probar el reino cuántico

Gran parte de la mecánica cuántica, se explica mediante la ecuación de Schrödinger, considerada una especie de teoría maestra cuyos principios explican las propiedades de físicas a escala cuántica. No obstante, los profesores asociados Kang-Kuen Ni y Morris Kahn del departamento de Química, Biología y Física de la universidad de Harvard, lideran investigaciones al respecto.

"Aunque sabemos que, en principio, la mecánica cuántica gobierna todo", dijo Ni, "verlo realmente es difícil y calcularlo es casi imposible. Conocemos las leyes subyacentes que gobiernan todo, pero debido a la naturaleza de todo (hecho de al menos tres o más átomos), esas leyes rápidamente se vuelven complejas de resolver".

En su laboratorio, prueban teorías actuales sobre reacciones químicas contra datos experimentales reales para acercarse a un mapa verificable de las leyes en el misterioso reino cuántico. Con química ultra fría, (donde átomos y moléculas se llevan a temperaturas cerca del cero absoluto), donde se vuelven altamente controlables y más visibles, Ni y su equipo laboratorio recopilaron datos experimentales.

Mediante experimentos, la frontera cuántica ha proporcionando evidencia de lo que el modelo teórico hizo bien, al mismo tiempo trazo una "ruta" para las las siguientes capas del espacio cuántico. El equipo de Ni y Kahn se propuso identificar todos los posibles resultados del estado energético, de una reacción entre dos moléculas de potasio y rubidio.

No es fácil; en su nivel más fundamental, una reacción entre cuatro moléculas tiene gran cantidad de dimensiones (los electrones de cada átomo, podrían estar en un número casi infinito de ubicaciones simultáneas). Esa altísima dimensionalidad hace imposible calcular todas las posibles trayectorias de reacción con las computadoras actuales.

"Calcular exactamente cómo se redistribuye la energía durante una reacción entre cuatro átomos está más allá del poder de las mejores computadoras de hoy. Solo una computadora cuántica podría ser la única herramienta que algún día podría lograr un cálculo tan complejo" comentó Ni.

Adicionalmente Ni y su equipo realizaron diversas técnicas novedosas cuyo descubrimiento facilitó el mapeo del reino cuántico. Una de ellas fue el explotar una característica confiable de las moléculas, su espín nuclear altamente estable con el que se puede controlar el estado cuántico de las moléculas. También descubrieron una forma de detectar los productos de un solo evento de reacción, una hazaña difícil cuando 10,000 moléculas podrían reaccionar simultáneamente.

Tomando estos dos métodos, el equipo pudo identificar el espectro único y el estado cuántico de cada molécula de producto. Ello, es el tipo de control preciso necesario para medir las 57 vías que podría tomar su reacción de potasio-rubidio.

Dicho de otra forma, los datos experimentales confirmaron que las predicciones anteriores basadas en una teoría estadística (una menos compleja que la ecuación de Schrödinger) son precisas, en su mayoría. Usando sus datos, el equipo midió la probabilidad en la reacción química de tomar cada uno de los 57 canales de reacción. Después compararon sus porcentajes con el modelo estadístico y solo siete de los 57 mostraron una divergencia lo suficientemente significativa como para desafiar la teoría.

"Tenemos datos para empujar esta frontera", dijo Ni. "Para explicar los siete canales que se desvían, necesitamos calcular la ecuación de Schrödinger, desafortunadamente aun es imposible. De momento, la teoría debe ponerse al día y proponer nuevas formas de realizar de manera eficiente cálculos cuánticos tan exactos". Para la siguiente etapa del experimento, Ni y su equipo planean reducirlo y analizar una reacción entre solo tres átomos (una molécula formada por dos átomos, que luego se ve obligada a reaccionar con un solo átomo). En teoría, esta reacción, tiene menos dimensiones a diferencia de una reacción de cuatro átomos, haciéndola entonces más fácil de calcular y estudiar en el ámbito cuántico.