Gli scienziati di Harvard hanno dimostrato che la coerenza quantistica può persistere nelle reazioni chimiche a temperature ultrafredde, rivelando nuove intuizioni sulla dinamica quantistica.
La coerenza quantistica sopravvive alle reazioni chimiche ultrafredde
Un team di scienziati dell’Università di Harvard ha compiuto una scoperta rivoluzionaria, dimostrando che la coerenza quantistica può persistere all’interno di reazioni chimiche a temperature estremamente basse. Questa scoperta, pubblicata sulla prestigiosa rivista Science, apre nuove frontiere nella scienza dell’informazione quantistica e nella nostra comprensione delle dinamiche chimiche a livello atomico.
Utilizzando tecniche all’avanguardia, i ricercatori hanno studiato il comportamento di molecole bialcaline 40K87Rb in un ambiente ultrafreddo, a temperature di soli 500 nanoKelvin. In questo regime estremo, le molecole rallentano considerevolmente, permettendo agli scienziati di manipolarle e osservarle con estrema precisione.
L’esperimento ha rivelato che la coerenza quantistica, la capacità delle particelle di mantenere relazioni di fase e di esistere in più stati contemporaneamente, rimane intatta durante la reazione chimica. Questo risultato sorprendente sfida le precedenti convinzioni sulla fragilità della coerenza quantistica in ambienti chimici dinamici.
Coerenza quantistica: scoperta sperimentale
Il coautore senior Kang-Kuen Ni, Theodore William Richards Professore di Chimica e Professore di Fisica ha dichiarato: “Sono estremamente orgoglioso del nostro lavoro che ha indagato una proprietà fondamentale di una reazione chimica di cui non sapevamo davvero quale sarebbe stato il risultato”.
Nell’articolo, pubblicato su Science, i ricercatori hanno spiegato in dettaglio come hanno studiato una specifica reazione chimica di scambio atomico in un ambiente ultrafreddo che coinvolge molecole bialcaline 40K87Rb, dove due molecole di potassio-rubidio (KRb) reagiscono per formare potassio (K2) e rubidio.
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 di 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, JJ Arfor Houwman, Mark C. Babin e Ming-Guang Hu.
Utilizzando il raffreddamento laser e l’intrappolamento magnetico, il team è stato in grado di raffreddare le proprie 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.
Coerenza quantistica inaspettata in una reazione chimica
Utilizzando tecniche sofisticate, incluso il rilevamento delle coincidenze in cui i ricercatori possono individuare le coppie esatte di prodotti di reazione da singoli eventi, i ricercatori sono stati in grado di mappare e descrivere i prodotti di reazione con precisione.
In precedenza, era stato 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 ha implicato che le molecole del prodotto, K2 e Rb2, fossero in uno stato entanglement, ereditando l’entanglement dai reagenti. Inoltre, inducendo deliberatamente la decoerenza nei reagenti, i ricercatori hanno dimostrato anche 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.
Ni ha affermato: “Crediamo che il risultato sia generale e non necessariamente limitato alle basse temperature e potrebbe verificarsi in condizioni più calde e umide. Questo significa che esiste un meccanismo per le reazioni chimiche che prima non conoscevamo”.
Il primo coautore e studente laureato, Lingbang Zhu, vede l’esperimento come un’opportunità per espandere la comprensione delle reazioni chimiche in generale, ed ha aggiunto: “Stiamo indagando su fenomeni che potrebbero verificarsi in natura. 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”.
