Há mais de duas décadas, os cientistas previram que, em temperaturas ultrabaixas, muitos átomos poderiam sofrer uma “superquímica quântica” e reagir quimicamente como um só. Eles finalmente mostraram que é real.
A química depende do calor.
Átomos ou moléculas saltam aleatoriamente, colidem e formam outras moléculas.
Em temperaturas mais altas, os átomos colidem mais e a taxa na qual os átomos se transformam em moléculas aumenta.
Abaixo de uma certa temperatura, a reação não acontecerá.
Mas algo muito estranho acontece nas temperaturas mais baixas.
Neste frio extremo, essencialmente não há energia térmica, mas as reações químicas acontecem mais rapidamente do que em altas temperaturas.
O fenômeno é chamado de superquímica quântica.
E foi finalmente demonstrado no ano passado, mais de 20 anos depois de os físicos o terem proposto pela primeira vez.
Nesse experimento, o físico Cheng Chin, da Universidade de Chicago, e seus colegas persuadiram um grupo de átomos de césio com apenas alguns nanokelvins a entrar no mesmo estado quântico.
Surpreendentemente, cada átomo não interagiu separadamente.
Em vez disso, 100.000 átomos reagiram como um só, quase instantaneamente.
A primeira demonstração deste estranho processo abriu uma janela para os cientistas compreenderem melhor como funcionam as reações químicas no estranho reino da mecânica quântica, que rege o comportamento das partículas subatómicas.
Também pode ajudar a simular fenômenos quânticos que os computadores clássicos lutam para modelar com precisão, como a supercondutividade.
Mas o que acontece depois disso, como acontece com tantos avanços na investigação, é difícil de prever.
Chin, por exemplo, não tem planos de parar de estudar esta estranha forma de química.
“Ninguém sabe até onde podemos ir”, disse Chin ao WordsSideKick.com.
“Pode levar mais 20 anos.
Mas nada pode nos deter.”
Um novo tipo de química O termo “superquímica” foi cunhado em 2000 para comparar o fenómeno a outros efeitos estranhos, como a supercondutividade e a superfluidez, que surgem quando um grande número de partículas está no mesmo estado quântico.
Ao contrário da supercondutividade ou da superfluidez, no entanto, “a ‘superquímica’ difere porque ainda é pouco compreendida, enquanto estes outros fenómenos têm sido extensivamente estudados em experiências”, disse Daniel Heinzen, principal autor do estudo de 2000 e físico da Universidade do Texas.
Austin, disse ao Live Science por e-mail.
Heinzen e seu colega Peter Drummond, que agora está na Universidade de Tecnologia de Swinburne, na Austrália, estavam estudando um estado especial da matéria conhecido como condensado de Bose-Einstein (BEC), no qual os átomos atingem seu estado de energia mais baixo e entram no mesmo estado quântico.
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Neste regime, grupos de átomos começam a agir mais como um único átomo.
Nesta pequena escala, as partículas não podem ser descritas como estando num determinado lugar ou estado.
Em vez disso, eles têm a probabilidade de estar em qualquer lugar ou estado, o que é descrito por uma equação matemática conhecida como função de onda.
Num BEC, tal como previram o trabalho de Satyendra Nath Bose e Albert Einstein, as funções de onda individuais de cada átomo tornam-se uma função de onda única e coletiva.
Heinzen e Drummond perceberam que um grupo de partículas com a mesma função de onda é semelhante a um laser – um grupo de fótons, ou pacotes de luz, que têm o mesmo comprimento de onda.
Ao contrário de outras fontes de luz, os picos e depressões da onda do laser estão alinhados.
Isto permite que os seus fótons permaneçam focados num feixe compacto a longas distâncias ou sejam divididos em rajadas tão curtas como milionésimos de bilionésimo de segundo.
Da mesma forma, Heinzen, Drummond e seus colegas mostraram matematicamente que os átomos em um BEC deveriam se comportar de maneira que outros grupos de átomos não o fazem.
Perto do zero absoluto, onde quase não há energia térmica, a superquímica quântica significa que os átomos de um BEC poderiam converter-se, rapidamente e todos juntos, em moléculas: os átomos A ligar-se-iam num flash para formar moléculas de A2, e assim por diante.
O processo se assemelharia a uma transição de fase, diz Chin, como quando a água líquida congela e vira gelo.
E, graças à estranheza quântica desses sistemas, quanto mais átomos condensados no BEC, mais rápida a reação acontece, previram os cálculos de Heinzen e Drummond.
A missão de 20 anos Heinzen e seu grupo de pesquisa tentaram demonstrar o fenômeno com experimentos durante vários anos.
Mas nunca encontraram evidências convincentes de que o efeito estava acontecendo.
“E então nós meio que abandonamos”, disse Heinzen.
Enquanto Heinzen abandonou a busca pela demonstração da superquímica quântica, outros ainda procuravam maneiras de transformar a teoria selvagem em realidade experimental.
Um deles foi Chin, que começou trabalhando na superquímica quântica quase imediatamente.
Chin era um estudante de doutorado que estudava átomos de césio em temperaturas frias quando o artigo sobre superquímica de Heinzen e Drummond foi publicado.
“Minha pesquisa foi totalmente descarrilada por causa desta nova pesquisa”, disse Chin ao WordsSideKick.com.
Ele iniciou o que se tornaria uma busca de 20 anos para alcançar a superquímica quântica em laboratório.
Não era um caminho direto, e Chin às vezes fazia pausas no trabalho em direção à superquímica quântica.
Mas ele nunca abandonou seu objetivo.
“Ninguém sabia se isso iria dar certo antes de acontecer.
Mas também ninguém disse que isso não poderia acontecer”, disse ele.
Após uma década de progresso lento, em 2010, Chin e seus colegas descobriram como sintonizar com precisão os campos magnéticos em um BEC para unir os átomos de césio para formar moléculas de Cs2.
“Isso forneceu a evidência de como avançar”, disse Chin.
Mas para mostrar que a superquímica quântica estava ocorrendo, sua equipe ainda precisava de melhores maneiras de resfriar e controlar moléculas ultrafrias.
Os cientistas normalmente usam duas técnicas para levar átomos e moléculas a temperaturas ultrafrias.
Primeiro, os lasers resfriam os átomos a milionésimos de Kelvin acima do zero absoluto.
Os átomos da amostra absorvem fótons de um laser sintonizado com uma energia muito específica, reduzindo assim o momento dos átomos e a temperatura da amostra gradativamente.
Em seguida, eles usam resfriamento evaporativo.
Os átomos nesses experimentos ficam presos por luz laser ou campos magnéticos.
Os cientistas podem ajustar as armadilhas para permitir que os átomos mais rápidos – e, portanto, mais quentes – escapem.
Este processo esfria ainda mais os átomos até bilionésimos de Kelvin, onde a superquímica quântica é possível.
Foi o segundo passo que Chin e seus colaboradores levaram mais tempo para acertar.
Durante anos, ele usou armadilhas em forma de tigela que uniam os átomos no meio, o que aumentava a temperatura das amostras.
Há seis ou sete anos, seu grupo começou a usar um dispositivo digital de microespelho para controlar melhor o formato da armadilha.
O resultado? Armadilhas de fundo plano, com formato semelhante a placas de Petri, onde os átomos podiam se espalhar e permanecer ultrafrios.
Por volta de 2020, o grupo de Chin finalmente fez um BEC de moléculas de césio.
Eram algumas das moléculas mais frias já produzidas, cerca de dez bilionésimos de grau acima do zero absoluto.
E embora a equipe suspeitasse da ocorrência da superquímica quântica, eles não tinham provas.
Essa prova veio três anos depois.
Até então, eles haviam coletado evidências de duas características da superquímica quântica.
Primeiro, a reação estava acontecendo coletivamente, o que significa que muitos átomos de césio se transformaram em moléculas de césio de uma só vez.
E segundo, era reversível, o que significa que os átomos se tornariam moléculas, que se tornariam átomos, e assim por diante.
Para Chin, os experimentos do ano passado são apenas o começo.
Eles produziram moléculas de dois átomos usando superquímica.
Mas Chin acredita que moléculas de três átomos estão ao nosso alcance e está entusiasmado para ver o que mais poderia ser possível.
Aonde a superquímica quântica nos leva
Como costuma acontecer em áreas de pesquisa fundamental como esta, os experimentos levantaram novas questões teóricas. Por exemplo, no sistema teórico de superquímica quântica de Heinzen e Drummond, mais de metade de todos os átomos numa armadilha seriam convertidos em moléculas e depois voltariam novamente. Mas o grupo de Chin observou que tal conversão acontecia apenas 20% das vezes. “Ainda há muito sendo entendido para obter maior eficiência”, disse Chin por e-mail.
Heinzen suspeita que as colisões entre moléculas no gás denso sejam as culpadas. As colisões poderiam empurrar as moléculas para diferentes estados quânticos, tirando-as do conjunto de moléculas condensadas. Ele e Drummond não levaram em conta essa possibilidade em sua teoria.
“Desde o início era óbvio que as colisões seriam um efeito negativo, mas em 2000 não tínhamos ideia de quão grande seria”, disse Heinzen. “Acabamos de dizer que estamos ignorando porque não sabemos quão grande.”
Os experimentos também revelaram que três átomos de césio estavam frequentemente envolvidos na formação de uma única molécula de Cs2 (e deixando sobrar um átomo de Cs), o que os físicos chamam de interação de três corpos. As previsões anteriores sobre a superquímica quântica não incluíam tais interações.
Para Chin, isso é um indício de que ele precisará fazer alguns novos experimentos. Se o seu grupo conseguir conceber e aperfeiçoar experiências para investigar estas interações de muitos corpos, isso poderá ajudar a elucidar as regras da superquímica quântica.
Apesar destas questões em aberto, muitos cientistas veem a superquímica quântica como uma ferramenta possível para uma melhor compreensão das reações químicas em geral. Átomos e moléculas em um copo em ebulição habitam amplas faixas de estados quânticos e interagem de inúmeras maneiras que os tornam muito complicados para serem estudados experimentalmente em detalhes. Em contraste, átomos e moléculas muito simples em BECs estão em estados quânticos bem definidos e controlados com precisão. Portanto, a superquímica quântica poderia ser uma forma de estudar reações em detalhes muito minuciosos.
“[É] um regime muito atraente em termos de avanço em nossa compreensão fundamental da química”, disse Waseem Bakr, físico da Universidade de Princeton que estuda átomos e moléculas ultrafrios, ao WordsSideKick.com.
A superquímica quântica também deixou os cientistas entusiasmados porque fornece controle preciso sobre os estados quânticos moleculares.
Isso poderia ser útil para simulação quântica, um primo dos computadores quânticos. Normalmente, os cientistas simulam sistemas quânticos em sistemas “clássicos”, como computadores convencionais. Mas muitos processos, como a supercondução a alta temperatura, podem ser melhor modelados utilizando sistemas quânticos governados pelas mesmas regras quânticas. A superquímica quântica daria aos cientistas uma ferramenta para produzir moléculas em estados quânticos específicos que permitiriam essas simulações, disse Bakr.
Heinzen vê muitas razões para os cientistas continuarem a explorar o fenómeno que ajudou a sonhar há mais de 20 anos. Embora as aplicações sejam pouco mais do que sonhos impossíveis neste momento, a história mostra que os avanços na ciência fundamental podem por vezes levar a aplicações surpreendentes no futuro.
“Não é óbvio agora”, disse ele. “Mas ainda vale a pena fazer.”
Publicado em 01/04/2024 21h36
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