Um cirurgião cardíaco não precisa dominar a mecânica quântica para realizar operações bem-sucedidas. Mesmo os químicos nem sempre precisam conhecer esses princípios fundamentais para estudar as reações químicas. Mas para Kang-Kuen Ni, o professor associado Morris Kahn de química e biologia química e de física, espeleologia quântica é, como a exploração espacial, uma missão para descobrir um novo reino vasto e misterioso.

Hoje, muito da mecânica quântica é explicado pela equação de Schrödinger, uma espécie de teoria principal que governa as propriedades de tudo na Terra. "Mesmo sabendo disso, em princípio, a mecânica quântica governa tudo, "Ni disse, "ver realmente é difícil e calculá-lo de fato é quase impossível."

Com algumas suposições bem fundamentadas e algumas técnicas inovadoras, Ni e sua equipe podem alcançar o quase impossível. Em seu laboratório, eles testam as teorias quânticas atuais sobre reações químicas contra dados experimentais reais para chegar mais perto de um mapa verificável das leis que governam o misterioso reino quântico. E agora, com química ultracold - na qual átomos e moléculas são resfriados a temperaturas um pouco acima do zero absoluto, onde se tornam altamente controláveis ​​- Ni e seus membros de laboratório coletaram dados experimentais reais de uma fronteira quântica anteriormente inexplorada, fornecendo fortes evidências de que o modelo teórico acertou (e errou), e um roteiro para uma maior exploração das próximas camadas sombrias do espaço quântico.

"Conhecemos as leis subjacentes que governam tudo, "disse Ni." Mas porque quase tudo na Terra é feito de pelo menos três ou mais átomos, essas leis rapidamente se tornam complexas demais para serem resolvidas. "

Em seu estudo relatado em Natureza , Ni e sua equipe começaram a identificar todos os possíveis resultados do estado de energia, do início ao fim, de uma reação entre duas moléculas de potássio e rubídio - uma reação mais complexa do que a anteriormente estudada no domínio quântico. Isso não é tarefa fácil:em seu nível mais fundamental, uma reação entre quatro moléculas tem um grande número de dimensões (os elétrons girando em torno de cada átomo, por exemplo, pode estar em um número quase infinito de locais simultaneamente). Essa dimensionalidade muito alta torna o cálculo de todas as trajetórias de reação possíveis impossível com a tecnologia atual.

"Calcular exatamente como a energia é redistribuída durante uma reação entre quatro átomos está além do poder dos melhores computadores de hoje, "Ni disse. Um computador quântico pode ser a única ferramenta que poderia um dia realizar um cálculo tão complexo.

Enquanto isso, calcular o impossível requer algumas suposições e aproximações bem fundamentadas (escolher um local para um desses elétrons, por exemplo) e técnicas especializadas que concedem a Ni e sua equipe o controle final sobre sua reação.

Uma dessas técnicas foi outra descoberta recente do laboratório Ni:em um estudo publicado em Natureza Química , ela e sua equipe exploraram uma característica confiável das moléculas - seu spin nuclear altamente estável - para controlar o estado quântico das moléculas reagentes até os produtos. Eles também descobriram uma maneira de detectar produtos de um único evento de reação de colisão, um feito difícil quando 10, 000 moléculas podem estar reagindo simultaneamente. Com esses dois novos métodos, a equipe poderia identificar o espectro único e o estado quântico de cada molécula de produto, o tipo de controle preciso necessário para medir todos os 57 caminhos que sua reação de potássio-rubídio poderia tomar.

Ao longo de vários meses durante a pandemia COVID-19, a equipe realizou experimentos para coletar dados em cada um dos 57 canais de reação possíveis, repetir cada canal uma vez a cada minuto por vários dias antes de passar para o próximo. Felizmente, uma vez que o experimento é configurado, pode ser executado remotamente:os membros do laboratório podem ficar em casa, mantendo a reocupação do laboratório nos padrões COVID-19, enquanto o sistema funcionava.

"O teste, "disse Matthew Nichols, um pós-doutorado no laboratório Ni e um autor em ambos os artigos, "indica uma boa concordância entre a medição e o modelo para um subconjunto contendo 50 pares de estados, mas revela desvios significativos em vários pares de estados."

Em outras palavras, seus dados experimentais confirmaram que as previsões anteriores baseadas na teoria estatística (uma muito menos complexa do que a equação de Schrödinger) são precisas - principalmente. Usando seus dados, a equipe poderia medir a probabilidade de que sua reação química levaria cada um dos 57 canais de reação. Então, eles compararam suas porcentagens com o modelo estatístico. Apenas sete dos 57 mostraram uma divergência significativa o suficiente para desafiar a teoria.

“Temos dados que empurram essa fronteira, "Ni disse." Para explicar os sete canais divergentes, precisamos calcular a equação de Schrödinger, o que ainda é impossível. Então agora, a teoria tem que se atualizar e propor novas maneiras de realizar com eficiência esses cálculos quânticos exatos. "

Próximo, Ni e sua equipe planejam reduzir seu experimento e analisar uma reação entre apenas três átomos (uma molécula e um átomo). Em teoria, esta reação, que tem muito menos dimensões do que uma reação de quatro átomos, deve ser mais fácil de calcular e estudar no reino quântico. E ainda, já, a equipe descobriu algo estranho:a fase intermediária da reação vive por muitas ordens de magnitude mais do que a teoria prevê.

"Já existe mistério, "Ni disse." Depende dos teóricos agora. "