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| Los físicos del Centro de Átomos Ultrafríos del MIT-Harvard han desarrollado un nuevo enfoque para controlar el resultado de las reacciones químicas, utilizando cambios minúsculos en un campo magnético para realizar sutiles modificaciones en la función de onda mecánica cuántica de las partículas que colisionan durante la reacción química. Crédito: Grupo Ketterle/MIT CUA |
Los físicos del Centro de Átomos Ultrafríos (CUA) del MIT-Harvard han desarrollado un nuevo enfoque para controlar el resultado de las reacciones químicas. Tradicionalmente, esto se hace utilizando la temperatura y los catalizadores químicos, o más recientemente con campos externos (campos eléctricos o magnéticos, o rayos láser).
Los físicos de la CUA del MIT han dado un nuevo giro a esta técnica: Han utilizado cambios minúsculos en un campo magnético para realizar cambios sutiles en la función de onda mecánica cuántica de las partículas que colisionan durante la reacción química. Muestran cómo esta técnica puede dirigir las reacciones hacia un resultado diferente: potenciando o suprimiendo las reacciones.
Esto sólo fue posible trabajando a temperaturas ultrabajas, a una millonésima de grado por encima del cero absoluto, donde las colisiones y las reacciones químicas se producen en estados cuánticos únicos. Su investigación se publicó en Science el 4 de marzo.
Los investigadores del MIT CUA prepararon una nube ultrafría con una mezcla de átomos de sodio y la molécula diatómica de sodio-litio en un estado cuántico específico en el que todos los momentos magnéticos (o espín) de los electrones estaban alineados por un fuerte campo magnético.
La presencia de reacciones químicas se observó a partir del decaimiento del número de moléculas restantes. Cuando los investigadores variaron el campo magnético, encontraron cambios drásticos en la tasa de dispersión reactiva de una manera que no se había observado antes. La velocidad de reacción cambió debido a una resonancia entre dos estados cuánticos de partículas que colisionan, llamada resonancia Feshbach.
Wolfgang Ketterle, profesor de física John D. MacArthur en el MIT y líder del equipo del MIT CUA, explica: "Hace más de 20 años, mi grupo observó las primeras resonancias de Feshbach en condensados de Bose-Einstein, una forma extrema y fría de materia atómica. Es asombroso ver que este fenómeno puede utilizarse ahora para controlar la química".
Los elementos clave son los cambios en la fase de la función de onda de los átomos y las moléculas cuando colisionan. Las colisiones a temperaturas ultrabajas pueden implicar múltiples rebotes de ida y vuelta. Entre los efectos de estos rebotes se producen interferencias cuánticas, que pueden ser constructivas o destructivas (según la fase de la función de onda), y que potencian o suprimen las reacciones en factores de unos 100.
Hyungmok Son, antiguo estudiante de posgrado de la CUA y autor principal del estudio, dice: "La interferencia cuántica es análoga a la interferencia de la luz en una cavidad óptica, o a un rayo láser que rebota entre dos espejos". Son pudo explicar todas las observaciones mediante unas sencillas ecuaciones basadas en esta analogía óptica. "Este análisis nos proporcionó información microscópica sobre el proceso de dispersión reactiva, que no podía obtenerse sólo con cálculos", añade Son.
"En este momento, estamos estudiando sistemas sencillos: una molécula diatómica y un átomo, porque moléculas más grandes serían mucho más difíciles de controlar y describir. El objetivo a largo plazo de nuestra investigación es mejorar nuestra comprensión de cómo pueden controlarse los procesos químicos en sistemas y entornos más generales", añade Ketterle.
Los autores del artículo son Son, Ketterle, los estudiantes de posgrado del MIT Juliana Park y Yukun Lu, el antiguo profesor postdoctoral Alan Jamison de la Universidad de Waterloo y el profesor Tijs Karman de la Universidad de Radboud en Nijmegen (Países Bajos). Todos, excepto Karman, son o han sido investigadores del Centro MIT-Harvard para Átomos Ultrafríos. El equipo del MIT está afiliado al Departamento de Física del MIT y al Laboratorio de Investigación de Electrónica (RLE).
Crédito: Massachusetts Institute of Technology
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