El reino cuántico es un maravilloso escenario en el cual las partículas abandonan su individualidad para obrar como una entidad única. En este contexto, una investigación innovadora ha dirigido su atención hacia átomos ultrafríos, enfriados hasta alcanzar un estado cuántico, y se ha observado su reacción en forma colectiva. Los resultados han sido detallados en un artículo publicado en la revista Nature Physics.
Cheng Chin, físico de la Universidad de Chicago y autor principal del estudio, no ocultó su entusiasmo ante tal revelación. «Este logro ha representado un objetivo científico durante más de dos décadas, por lo que nos encontramos en una era sumamente emocionante», compartió.
Reacciones colectivas
A nivel atómico, todas las partículas, desde átomos hasta moléculas, vibran con energía térmica. No obstante, al ser enfriadas a temperaturas ultrafrías, adquieren un estado menos caótico y más ordenado.
Hace décadas, los investigadores hicieron el revelador hallazgo de que, a temperaturas próximas al cero absoluto, las partículas se amalgaman en conglomerados que comparten una identidad cuántica. Este fenómeno desencadena comportamientos colectivos insólitos que eclipsan las propiedades individuales.
Las moléculas, por otro lado, son más difíciles de controlar que los átomos. Fue recién en 2019 cuando los científicos lograron llevar moléculas a estados cuánticos compartidos, generando predicciones sobre la aparición de una nueva forma de química dentro del ámbito cuántico.
En ciertos casos, se ha observado que este estado cuántico compartido, denominado degeneración cuántica, suprime de manera drástica las reacciones químicas. En contraste, las moléculas en ese mismo estado cuántico podrían manifestar reacciones químicas aceleradas si actúan de manera colectiva. Sin duda, observar este comportamiento teorizado en el contexto cuántico ha representado un desafío significativo.
El estudio
Chin y su equipo no dudaron en aceptar el reto. Así, lograron aprisionar un gas ultrafrío compuesto por átomos de cesio en una sofisticada trampa óptica, fusionándolos en un estado cuántico compartido. Mediante la activación de un campo magnético, desencadenaron una reacción química capaz de transformar dichos átomos en moléculas. Los resultados que obtuvieron fueron simplemente asombrosos.
Bajo una temperatura específica, las colisiones entre partículas experimentaron una drástica disminución, simultáneamente acompañada por una rápida formación de moléculas. Esto indica que las reacciones en este estado cuántico se desarrollaron a una velocidad superior a las condiciones normales.
«La brusca transición en la tasa de formación de moléculas alrededor de la temperatura crítica (Tc) revela diferencias sustanciales entre las leyes que rigen los regímenes degenerados clásicos y cuánticos», destacan Chin y sus colaboradores en sus escritos.
Una vez desactivado el campo magnético, los átomos y moléculas restantes exhibieron un acoplamiento coherente, oscilando durante varios milisegundos. Otras pruebas revelaron el mecanismo de reacción, que el equipo calificó como un proceso químico «mejorado cuánticamente».
Más investigación
Sin embargo, es esencial tener en cuenta que estos experimentos involucraron la creación de moléculas básicas de dos átomos. Para validar estos hallazgos, se necesitan más experimentos con moléculas más grandes y complejas.
Esta vanguardista observación de reacciones químicas coherentes y colectivas dentro del ámbito del régimen cuántico degenerado abre las puertas para profundizar en la relación entre la física de muchos cuerpos y la química ultrafría. El estudio es un testimonio de las infinitas posibilidades que ofrece el mundo cuántico.