Se ingrandisci una reazione chimica a livello quantistico, noterai che le particelle si comportano come onde che possono incresparsi e scontrarsi. Gli scienziati hanno cercato a lungo di comprendere la coerenza quantistica, la capacità delle particelle di mantenere relazioni di fase ed esistere in più stati contemporaneamente; questo è simile alla sincronizzazione di tutte le parti di un'onda. È stata una questione aperta se la coerenza quantistica possa persistere attraverso una reazione chimica in cui i legami si rompono e si formano dinamicamente.
Ora, per la prima volta, un team di scienziati di Harvard ha dimostrato la sopravvivenza della coerenza quantistica in una reazione chimica che coinvolge molecole ultrafredde. Questi risultati evidenziano il potenziale dello sfruttamento delle reazioni chimiche per future applicazioni nella scienza dell'informazione quantistica.
"Sono estremamente orgoglioso del nostro lavoro che indaga una proprietà fondamentale di una reazione chimica di cui non sapevamo davvero quale sarebbe stato il risultato", ha affermato il coautore senior Kang-Kuen Ni, Theodore William Richards Professore di Chimica e Professore di Fisica. "È stato davvero gratificante fare un esperimento per scoprire cosa ci dice Madre Natura."
Nell'articolo, pubblicato su Science , i ricercatori descrivono in dettaglio come hanno studiato una specifica reazione chimica di scambio atomico in un ambiente ultrafreddo che coinvolge 40 K 87 Molecole bialcaline Rb, dove due molecole di potassio-rubidio (KRb) reagiscono per formare potassio (K2 ) e rubidio (Rb2 ) prodotti.
Il team ha preparato gli spin nucleari iniziali delle molecole KRb in uno stato entangled manipolando i campi magnetici e ha poi esaminato il risultato con strumenti specializzati. Nell'ambiente ultrafreddo, il Ni Lab è stato in grado di tracciare i gradi di libertà dello spin nucleare e osservare le intricate dinamiche quantistiche alla base del processo e del risultato della reazione.
Il lavoro è stato intrapreso da diversi membri del Ni's Lab, tra cui Yi-Xiang Liu, Lingbang Zhu, Jeshurun Luke, J.J. Arfor Houwman, Mark C. Babin e Ming-Guang Hu.
Utilizzando il raffreddamento laser e l'intrappolamento magnetico, il team è riuscito a raffreddare le molecole fino a solo una frazione di grado sopra lo zero assoluto. In questo ambiente ultrafreddo, di soli 500 nanoKelvin, le molecole rallentano, consentendo agli scienziati di isolare, manipolare e rilevare singoli stati quantistici con notevole precisione. Questo controllo facilita l'osservazione di effetti quantistici come sovrapposizione, entanglement e coerenza, che svolgono un ruolo fondamentale nel comportamento delle molecole e nelle reazioni chimiche.
Utilizzando tecniche sofisticate, incluso il rilevamento delle coincidenze in cui i ricercatori possono individuare le coppie esatte di prodotti di reazione da singoli eventi di reazione, i ricercatori sono stati in grado di mappare e descrivere i prodotti di reazione con precisione. In precedenza, avevano osservato che la ripartizione dell’energia tra il movimento rotatorio e quello traslazionale delle molecole del prodotto era caotica. Pertanto, è sorprendente trovare l'ordine quantistico sotto forma di coerenza nella stessa dinamica di reazione sottostante, questa volta nel grado di libertà dello spin nucleare.
I risultati hanno rivelato che la coerenza quantistica è stata preservata entro il grado di libertà dello spin nucleare durante tutta la reazione. La sopravvivenza della coerenza implicava che le molecole del prodotto, K2 e Rb2 , erano in uno stato entanglement, ereditando l'entanglement dai reagenti. Inoltre, inducendo deliberatamente la decoerenza nei reagenti, i ricercatori hanno dimostrato il controllo sulla distribuzione dei prodotti di reazione.
Andando avanti, Ni spera di dimostrare rigorosamente che le molecole del prodotto erano intrecciate ed è ottimista sul fatto che la coerenza quantistica possa persistere in ambienti non ultrafreddi.
"Crediamo che il risultato sia generale e non necessariamente limitato alle basse temperature e potrebbe verificarsi in condizioni più calde e umide", ha affermato Ni. "Ciò significa che esiste un meccanismo per le reazioni chimiche di cui prima non conoscevamo."
Il primo coautore e studente laureato, Lingbang Zhu, vede l'esperimento come un'opportunità per ampliare la comprensione delle persone sulle reazioni chimiche in generale.
"Stiamo indagando su fenomeni che potrebbero verificarsi in natura", ha detto Zhu. "Possiamo provare ad ampliare il nostro concetto ad altre reazioni chimiche. Sebbene la struttura elettronica di KRb possa essere diversa, l'idea di interferenza nelle reazioni potrebbe essere generalizzata anche ad altri sistemi chimici."
