Dentro de la búsqueda de 20 años para desentrañar el extraño reino de la 'superquímica cuántica'
Hace más de dos décadas, los científicos predijeron que a temperaturas ultrabajas, muchos átomos podrían sufrir una "superquímica cuántica" y reaccionar químicamente como uno solo. Finalmente han demostrado que es real.
La química depende del calor.
Los átomos o moléculas rebotan aleatoriamente, chocan y forman otras moléculas. A temperaturas más altas, los átomos chocan más y aumenta la velocidad a la que los átomos se convierten en moléculas. Por debajo de cierta temperatura, la reacción no ocurrirá en absoluto.
Pero sucede algo muy extraño con las temperaturas más bajas. En este frío extremo, esencialmente no hay energía térmica, pero las reacciones químicas ocurren más rápido que a altas temperaturas.
El fenómeno se llama superquímica cuántica. Y finalmente quedó demostrado el año pasado, más de 20 años después de que los físicos lo propusieran por primera vez.
En ese experimento, el físico Cheng Chin de la Universidad de Chicago y sus colegas lograron que un grupo de átomos de cesio de tan solo unos pocos nanokelvin alcanzaran el mismo estado cuántico. Sorprendentemente, cada átomo no interactuó por separado. En cambio, 100.000 átomos reaccionaron como uno solo, casi instantáneamente.
La primera demostración de este extraño proceso ha abierto una ventana para que los científicos comprendan mejor cómo operan las reacciones químicas en el extraño reino de la mecánica cuántica, que gobierna el comportamiento de las partículas subatómicas. También puede ayudar a simular fenómenos cuánticos que las computadoras clásicas luchan por modelar con precisión, como la superconductividad.
Pero lo que sucederá después, como ocurre con tantos avances en la investigación, es difícil de predecir. Chin, por su parte, no tiene planes de dejar de estudiar esta extraña forma de química.
"Nadie sabe hasta dónde podemos llegar", dijo Chin a WordsSideKick.com. "Puede que sean necesarios otros 20 años, pero nada podrá detenernos".
Un nuevo tipo de química
El término "superquímica" fue acuñado en el año 2000 para comparar el fenómeno con otros efectos extraños, como la superconductividad y la superfluidez, que surgen cuando un gran número de partículas se encuentran en el mismo estado cuántico.
Sin embargo, a diferencia de la superconductividad o la superfluidez, "la 'superquímica' se diferencia en que todavía apenas se realiza, mientras que estos otros fenómenos se han estudiado ampliamente en experimentos", Daniel Heinzen, dirige El autor del estudio de 2000 y físico de la Universidad de Texas en Austin, dijo a WordsSideKick.com en un correo electrónico.
Heinzen y su colega Peter Drummond, que ahora se encuentra en la Universidad Tecnológica de Swinburne en Australia, estaban estudiando un estado especial de la materia conocido como condensado de Bose-Einstein (BEC), en el que los átomos alcanzan su estado energético más bajo y entran en el mismo estado cuántico. En este régimen, los grupos de átomos comienzan a actuar más como un solo átomo. A esta pequeña escala, no se puede describir que las partículas se encuentren en un lugar o estado determinado. Más bien, tienen una probabilidad de estar en cualquier lugar o estado determinado, que se describe mediante una ecuación matemática conocida como función de onda.
En un BEC, tal como predijeron los trabajos de Satyendra Nath Bose y Albert Einstein, las funciones de onda individuales de cada átomo se convierten en una función de onda única y colectiva. Heinzen y Drummond se dieron cuenta de que un grupo de partículas con la misma función de onda es similar a un láser: un grupo de fotones o paquetes de luz que tienen la misma longitud de onda. A diferencia de otras fuentes de luz, los picos y valles de la onda láser están alineados. Esto permite que sus fotones permanezcan enfocados en un haz estrecho a largas distancias o que se divida en ráfagas tan cortas como millonésimas de milmillonésima de segundo.
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De manera similar, Heinzen, Drummond y sus colegas demostraron matemáticamente que los átomos en un BEC deberían comportarse de maneras que otros grupos de átomos no lo hacen. Cerca del cero absoluto, donde casi no hay energía térmica, la superquímica cuántica significa que los átomos de un BEC podrían convertirse, rápidamente y todos juntos, en moléculas: los átomos A se unirían en un instante para formar moléculas de A2, y así sucesivamente.
El proceso se parecería a una transición de fase, dice Chin, como cuando el agua líquida se congela y se convierte en hielo. Y, gracias a la rareza cuántica de estos sistemas, cuantos más átomos se condensan en el BEC, más rápida ocurre la reacción, predijeron los cálculos de Heinzen y Drummond.
La búsqueda de 20 años
Heinzen y su grupo de investigación intentaron demostrar el fenómeno mediante experimentos durante varios años. Pero nunca encontraron pruebas convincentes de que el efecto estuviera ocurriendo. "Y luego lo dejamos caer", dijo Heinzen.
Mientras Heinzen abandonó la búsqueda de demostrar la superquímica cuántica, otros todavía buscaban formas de convertir la teoría descabellada en una realidad experimental. Uno de ellos fue Chin, que empezó a trabajar en superquímica cuántica casi de inmediato.
Chin era un estudiante de doctorado que estudiaba átomos de cesio a bajas temperaturas cuando apareció el artículo sobre superquímica de Heinzen y Drummond. "Mi investigación descarriló por completo debido a esta nueva investigación", dijo Chin a WordsSideKick.com. Emprendió lo que se convertiría en una búsqueda de 20 años para lograr la superquímica cuántica en el laboratorio.
No era un camino recto y Chin a veces se tomaba descansos en su trabajo hacia la superquímica cuántica. Pero nunca abandonó su objetivo.
"Nadie sabía si esto iba a funcionar antes de que sucediera. Pero tampoco nadie dijo que no podría suceder", dijo.
Después de una década de lento progreso, en 2010, Chin y sus colegas descubrieron cómo sintonizar con precisión los campos magnéticos en un BEC para unir átomos de cesio para formar moléculas de Cs2.
"Eso proporcionó evidencia de cómo avanzar", dijo Chin.
Pero para demostrar que estaba ocurriendo la superquímica cuántica, su equipo aún necesitaba mejores formas de enfriar y controlar las moléculas ultrafrías.
Nadie sabía si esto iba a funcionar antes de que sucediera. Pero tampoco nadie dijo que no pudiera suceder.
Cheng Chin, Universidad de Chicago
Los científicos suelen utilizar dos técnicas para empujar átomos y moléculas a temperaturas ultrafrías. Primero, los láseres enfrían los átomos a millonésimas de kelvin por encima del cero absoluto. Los átomos de la muestra absorben fotones de un láser sintonizado con una energía muy específica, reduciendo así el impulso de los átomos y la temperatura de la muestra de forma incremental.
A continuación, utilizan el enfriamiento por evaporación. Los átomos en estos experimentos quedan atrapados por luz láser o campos magnéticos. Los científicos pueden ajustar las trampas para permitir que escapen los átomos más rápidos y, por tanto, los más calientes. Este proceso enfría aún más los átomos hasta milmillonésimas de kelvin, donde la superquímica cuántica es posible.
Fue el segundo paso el que a Chin y sus colaboradores les llevó más tiempo acertar. Durante años, había utilizado trampas en forma de cuenco que juntaban los átomos en el centro, lo que elevaba la temperatura de las muestras.
Hace seis o siete años, su grupo comenzó a utilizar un dispositivo de microespejo digital para controlar mejor la forma de la trampa. ¿El resultado? Trampas de fondo plano, con forma de placas de Petri, donde los átomos podían esparcirse y permanecer ultrafríos.
Alrededor de 2020, el grupo de Chin finalmente creó un BEC de moléculas de cesio. Eran algunas de las moléculas más frías jamás creadas, aproximadamente diez milmillonésimas de grado por encima del cero absoluto. Y aunque el equipo sospechaba que se había producido una superquímica cuántica, no tenían pruebas.
Esa prueba llegó tres años después. Para entonces, habían reunido la evidencia de dos características de la superquímica cuántica. En primer lugar, la reacción se produjo de forma colectiva, lo que significa que muchos átomos de cesio se convirtieron en moléculas de cesio a la vez. Y segundo, era reversible, lo que significaba que los átomos se convertirían en moléculas, que a su vez se convertirían en átomos, y así sucesivamente.
Para Chin, los experimentos del año pasado son sólo el comienzo. Produjeron moléculas de dos átomos mediante superquímica. Pero Chin cree que las moléculas de tres átomos están a nuestro alcance y está entusiasmado por ver qué más podría ser posible.
Adónde nos lleva la superquímica cuántica
Como suele ocurrir en áreas de investigación fundamental como ésta, los experimentos han planteado nuevas cuestiones teóricas. Por ejemplo, en el sistema teórico de superquímica cuántica de Heinzen y Drummond, más de la mitad de todos los átomos en una trampa se convertirían en moléculas y luego regresarían nuevamente. Pero el grupo de Chin observó que esa conversión ocurría sólo el 20% de las veces. "Aún queda mucho por entender para lograr mayores eficiencias", dijo Chin en un correo electrónico.
Heinzen sospecha que la culpa es de las colisiones entre moléculas del gas denso. Las colisiones podrían empujar a las moléculas a diferentes estados cuánticos, sacándolas del conjunto de moléculas condensadas. Él y Drummond no habían tenido en cuenta esa posibilidad en su teoría.
"Era obvio, incluso desde el principio, que las colisiones iban a tener un efecto negativo, pero en el año 2000 no teníamos idea de cuán grande sería", dijo Heinzen. "Simplemente dijimos que lo ignoraremos porque no sabemos qué tan grande".
Los experimentos también revelaron que tres átomos de cesio frecuentemente participaban en la formación de una sola molécula de Cs2 (y dejando un átomo de Cs sobrante), lo que los físicos llaman interacción de tres cuerpos. Las predicciones anteriores sobre la superquímica cuántica no incluían tales interacciones.
Para Chin, eso es un indicio de que necesitará realizar algunos experimentos nuevos. Si su grupo puede diseñar y perfeccionar experimentos para investigar estas interacciones de muchos cuerpos, podría ayudar a dilucidar las reglas de la superquímica cuántica.
A pesar de estas preguntas abiertas, muchos científicos ven la superquímica cuántica como una posible herramienta para comprender mejor las reacciones químicas en general. Los átomos y las moléculas en un vaso de precipitados en ebullición habitan en amplios rangos de estados cuánticos e interactúan de innumerables maneras que los hacen demasiado complicados para estudiarlos experimentalmente con gran detalle. Por el contrario, los átomos y las moléculas muy simples en los BEC se encuentran en estados cuánticos bien definidos y controlados con precisión. Por tanto, la superquímica cuántica podría ser una forma de estudiar las reacciones con gran detalle.
"[Es] un régimen muy atractivo en términos de avanzar en nuestra comprensión fundamental de la química", dijo a WordsSideKick.com Waseem Bakr, físico de la Universidad de Princeton que estudia átomos y moléculas ultrafríos.
La superquímica cuántica también entusiasma a los científicos porque proporciona un control preciso sobre los estados cuánticos moleculares.
Esto podría resultar útil para la simulación cuántica, una prima de las computadoras cuánticas. Normalmente, los científicos simulan sistemas cuánticos en sistemas "clásicos", como los ordenadores convencionales. Pero muchos procesos, como la superconducción a alta temperatura, podrían modelarse mejor utilizando sistemas cuánticos que se rijan por las mismas reglas cuánticas. La superquímica cuántica daría a los científicos una herramienta para producir moléculas en estados cuánticos específicos que permitirían esas simulaciones, dijo Bakr.
Heinzen ve muchas razones para que los científicos sigan explorando el fenómeno que él ayudó a idear hace más de 20 años. Si bien las aplicaciones son poco más que quimeras en este momento, la historia ha demostrado que los avances en la ciencia fundamental a veces pueden conducir a aplicaciones sorprendentes en el futuro.
"No es obvio en este momento", dijo. "Pero todavía vale la pena hacerlo".