Un cardiochirurgo non ha bisogno di comprendere la meccanica quantistica per eseguire operazioni di successo. Anche i chimici non hanno sempre bisogno di conoscere questi principi fondamentali per studiare le reazioni chimiche. Ma per Kang-Kuen Ni, il professore associato Morris Kahn di chimica e biologia chimica e di fisica, la speleologia quantistica è, come l'esplorazione dello spazio, una ricerca per scoprire un nuovo regno vasto e misterioso.

Oggi, gran parte della meccanica quantistica è spiegata dall'equazione di Schrödinger, una sorta di teoria principale che governa le proprietà di ogni cosa sulla Terra. "Anche se sappiamo che, in linea di principio, la meccanica quantistica governa tutto, "Ni ha detto, "vederlo effettivamente è difficile e calcolarlo effettivamente è quasi impossibile".

Con alcune ipotesi ben motivate e alcune tecniche innovative, Ni e il suo team possono raggiungere l'impossibile. Nel loro laboratorio, testano le attuali teorie quantistiche sulle reazioni chimiche contro dati sperimentali reali per avvicinarsi a una mappa verificabile delle leggi che governano il misterioso regno quantistico. E adesso, con la chimica ultrafredda, in cui atomi e molecole vengono raffreddati a temperature appena sopra lo zero assoluto, dove diventano altamente controllabili, Ni e i suoi membri del laboratorio hanno raccolto dati sperimentali reali da una frontiera quantistica precedentemente inesplorata, fornendo una forte evidenza di ciò che il modello teorico ha ragione (e sbagliato), e una tabella di marcia per ulteriori esplorazioni nei prossimi strati oscuri dello spazio quantistico.

"Conosciamo le leggi sottostanti che governano ogni cosa, " disse Ni. "Ma poiché quasi tutto sulla Terra è fatto di almeno tre o più atomi, quelle leggi diventano rapidamente troppo complesse per essere risolte."

Nel loro studio riportato in Natura , Ni e il suo team hanno deciso di identificare tutti i possibili risultati dello stato energetico, dall'inizio alla fine, di una reazione tra due molecole di potassio e rubidio, una reazione più complessa di quanto fosse stato precedentemente studiato nel regno dei quanti. Non è un'impresa facile:al suo livello più fondamentale, una reazione tra quattro molecole ha un numero enorme di dimensioni (gli elettroni che ruotano attorno a ciascun atomo, Per esempio, potrebbe trovarsi in un numero quasi infinito di posizioni contemporaneamente). Quella dimensionalità molto elevata rende impossibile il calcolo di tutte le possibili traiettorie di reazione con la tecnologia attuale.

"Calcolare esattamente come l'energia si ridistribuisce durante una reazione tra quattro atomi va oltre la potenza dei migliori computer di oggi, " ha detto Ni. Un computer quantistico potrebbe essere l'unico strumento in grado di realizzare un giorno un calcolo così complesso.

Intanto, calcolare l'impossibile richiede alcune ipotesi e approssimazioni ben ragionate (scegliere una posizione per uno di quegli elettroni, per esempio) e tecniche specializzate che garantiscono a Ni e al suo team il massimo controllo sulla loro reazione.

Una di queste tecniche è stata un'altra recente scoperta del laboratorio Ni:in uno studio pubblicato su Natura Chimica , lei e il suo team hanno sfruttato una caratteristica affidabile delle molecole, il loro spin nucleare altamente stabile, per controllare lo stato quantico delle molecole che reagiscono fino ai prodotti. Hanno anche scoperto un modo per rilevare i prodotti da un singolo evento di reazione alla collisione, un'impresa difficile quando 10, 000 molecole potrebbero reagire contemporaneamente. Con questi due nuovi metodi, il team potrebbe identificare lo spettro unico e lo stato quantico di ciascuna molecola del prodotto, il tipo di controllo preciso necessario per misurare tutti i 57 percorsi che potrebbe prendere la loro reazione al potassio rubidio.

Per diversi mesi durante la pandemia di COVID-19, il team ha condotto esperimenti per raccogliere dati su ciascuno di quei 57 possibili canali di reazione, ripetendo ogni canale una volta al minuto per diversi giorni prima di passare al successivo. Per fortuna, una volta che l'esperimento è impostato, può essere eseguito in remoto:i membri del laboratorio possono rimanere a casa, mantenere la rioccupazione del laboratorio secondo gli standard COVID-19, mentre il sistema si avviava.

"La prova, " ha detto Matthew Nichols, uno studioso postdottorato nel laboratorio Ni e un autore su entrambi i documenti, "indica un buon accordo tra la misurazione e il modello per un sottoinsieme contenente 50 coppie di stati ma rivela deviazioni significative in diverse coppie di stati".

In altre parole, i loro dati sperimentali hanno confermato che le previsioni precedenti basate sulla teoria statistica (una molto meno complessa dell'equazione di Schrödinger) sono accurate, per lo più. Utilizzando i loro dati, il team potrebbe misurare la probabilità che la loro reazione chimica prenda ciascuno dei 57 canali di reazione. Quindi, hanno confrontato le loro percentuali con il modello statistico. Solo sette dei 57 hanno mostrato una divergenza abbastanza significativa da mettere in discussione la teoria.

"Abbiamo dati che spingono questa frontiera, " disse Ni. "Per spiegare i sette canali devianti, dobbiamo calcolare l'equazione di Schrödinger, che è ancora impossibile. Così ora, la teoria deve recuperare e proporre nuovi modi per eseguire in modo efficiente calcoli quantistici così esatti".

Prossimo, Ni e il suo team hanno in programma di ridimensionare il loro esperimento e analizzare una reazione tra solo tre atomi (una molecola e un atomo). In teoria, questa reazione, che ha dimensioni molto minori di una reazione a quattro atomi, dovrebbe essere più facile da calcolare e studiare nel regno quantistico. E ancora, già, il team ha scoperto qualcosa di strano:la fase intermedia della reazione vive per molti ordini di grandezza più a lungo di quanto previsto dalla teoria.

"C'è già mistero, " Disse Ni. "Ora tocca ai teorici".