Un cirujano cardíaco no necesita comprender la mecánica cuántica para realizar operaciones exitosas. Incluso los químicos no siempre necesitan conocer estos principios fundamentales para estudiar las reacciones químicas. Pero para Kang-Kuen Ni, el profesor asociado Morris Kahn de química y biología química y de física, la espeleología cuántica es, como la exploración espacial, una búsqueda para descubrir un nuevo reino vasto y misterioso.

Hoy dia, gran parte de la mecánica cuántica se explica por la ecuación de Schrödinger, una especie de teoría maestra que gobierna las propiedades de todo en la Tierra. "Aunque sabemos eso, en principio, la mecánica cuántica gobierna todo, "Ni dijo, "Verlo realmente es difícil y calcularlo es casi imposible".

Con algunas suposiciones bien razonadas y algunas técnicas innovadoras, Ni y su equipo pueden lograr lo casi imposible. En su laboratorio, prueban las teorías cuánticas actuales sobre reacciones químicas contra datos experimentales reales para acercarse a un mapa verificable de las leyes que gobiernan el misterioso reino cuántico. Y ahora, con química ultra fría, en la que los átomos y las moléculas se enfrían a temperaturas justo por encima del cero absoluto, donde se vuelven altamente controlables, Ni y los miembros de su laboratorio han recopilado datos experimentales reales de una frontera cuántica previamente inexplorada, proporcionar pruebas sólidas de lo que el modelo teórico hizo bien (y mal), y una hoja de ruta para una mayor exploración de las siguientes capas de sombras del espacio cuántico.

"Conocemos las leyes subyacentes que gobiernan todo, ", dijo Ni." Pero debido a que casi todo en la Tierra está hecho de al menos tres o más átomos, esas leyes rápidamente se vuelven demasiado complejas para resolver ".

En su estudio informado en Naturaleza , Ni y su equipo se propusieron identificar todos los posibles resultados del estado energético, de principio a fin, de una reacción entre dos moléculas de potasio y rubidio, una reacción más compleja que la que se había estudiado previamente en el ámbito cuántico. No es tarea fácil:en su nivel más fundamental, una reacción entre cuatro moléculas tiene una gran cantidad de dimensiones (los electrones que giran alrededor de cada átomo, por ejemplo, podría estar en un número casi infinito de ubicaciones simultáneamente). Esa altísima dimensionalidad hace imposible calcular todas las posibles trayectorias de reacción con la tecnología actual.

"Calcular exactamente cómo se redistribuye la energía durante una reacción entre cuatro átomos está más allá del poder de las mejores computadoras actuales, "Ni dijo. Una computadora cuántica podría ser la única herramienta que algún día podría lograr un cálculo tan complejo".

Mientras tanto, calcular lo imposible requiere algunas suposiciones y aproximaciones bien razonadas (elegir una ubicación para uno de esos electrones, por ejemplo) y técnicas especializadas que otorgan a Ni y su equipo el máximo control sobre su reacción.

Una de esas técnicas fue otro descubrimiento reciente de laboratorio de Ni:en un estudio publicado en Naturaleza Química , ella y su equipo explotaron una característica confiable de las moléculas, su espín nuclear altamente estable, para controlar el estado cuántico de las moléculas que reaccionan hasta los productos. También descubrieron una forma de detectar productos a partir de un solo evento de reacción de colisión, una hazaña difícil cuando 10, 000 moléculas podrían estar reaccionando simultáneamente. Con estos dos métodos novedosos, el equipo pudo identificar el espectro único y el estado cuántico de cada molécula de producto, el tipo de control preciso necesario para medir las 57 vías que podría tomar su reacción de rubidio y potasio.

Durante varios meses durante la pandemia de COVID-19, el equipo realizó experimentos para recopilar datos sobre cada uno de esos 57 posibles canales de reacción, repitiendo cada canal una vez por minuto durante varios días antes de pasar al siguiente. Afortunadamente, una vez configurado el experimento, se puede ejecutar de forma remota:los miembros del laboratorio pueden quedarse en casa, mantener la reocupación del laboratorio en los estándares COVID-19, mientras el sistema funcionaba.

"La prueba, "dijo Matthew Nichols, un becario postdoctoral en el laboratorio de Ni y un autor en ambos artículos, "indica una buena concordancia entre la medición y el modelo para un subconjunto que contiene 50 pares de estados, pero revela desviaciones significativas en varios pares de estados".

En otras palabras, sus datos experimentales confirmaron que las predicciones anteriores basadas en la teoría estadística (una mucho menos compleja que la ecuación de Schrödinger) son precisas, en su mayoría. Usando sus datos, el equipo pudo medir la probabilidad de que su reacción química tomara cada uno de los 57 canales de reacción. Luego, compararon sus porcentajes con el modelo estadístico. Solo siete de los 57 mostraron una divergencia lo suficientemente significativa como para desafiar la teoría.

"Tenemos datos que amplían esta frontera, "Ni dijo". Para explicar los siete canales desviados, necesitamos calcular la ecuación de Schrödinger, lo cual sigue siendo imposible. Y ahora, la teoría tiene que ponerse al día y proponer nuevas formas de realizar eficientemente cálculos cuánticos tan exactos ".

Próximo, Ni y su equipo planean reducir su experimento y analizar una reacción entre solo tres átomos (una molécula y un átomo). En teoria, esta reacción, que tiene muchas menos dimensiones que una reacción de cuatro átomos, debería ser más fácil de calcular y estudiar en el reino cuántico. Y todavía, ya, el equipo descubrió algo extraño:la fase intermedia de la reacción dura muchos órdenes de magnitud más de lo que predice la teoría.

"Ya hay misterio, "Ni dijo." Ahora depende de los teóricos ".