Efectos cuánticos detectados en colisiones de hidrógeno y gases nobles

5 de junio de 2023

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por la Universidad Libre de Berlín

Un equipo de investigación de la Freie Universität Berlin dirigido por la profesora de física cuántica Christiane Koch ha demostrado cómo se comportan las moléculas de hidrógeno cuando chocan con átomos de gases nobles como el helio o el neón. En un artículo publicado en la revista Science, los investigadores describen cómo usaron simulaciones para establecer conexiones entre los datos de los experimentos y los modelos teóricos de la física cuántica.

El estudio incluye cálculos teóricos, así como datos recopilados en experimentos con átomos y moléculas realizados en la Universidad TU de Dortmund y el Instituto de Ciencias Weizmann en Israel. El equipo pudo demostrar que las colisiones cambian la forma en que las moléculas vibran y giran según las leyes de la mecánica cuántica. La investigación en el campo de la mecánica cuántica continúa ganando importancia en el mundo actual. Hallazgos como estos se pueden aplicar en el desarrollo de teléfonos móviles, televisores, satélites y en tecnología de diagnóstico médico.

El efecto cuántico observado aquí se conoce como resonancia de Feshbach. "Durante un breve momento después de la colisión, la molécula de hidrógeno y el átomo de gas noble forman un enlace químico y luego se separan de nuevo", explica el profesor Koch de la Freie Universität Berlin.

Sin embargo, a pesar de las mediciones y cálculos extremadamente detallados para un sistema comparativamente pequeño y simple, los investigadores aún están muy lejos de poder reconstruir las características mecánicas cuánticas completas de la colisión de hidrógeno y gas noble. "Esto se debe a uno de los fenómenos fundamentales de la mecánica cuántica: cuando se trata de mediciones, no se pueden eludir los principios básicos de la física clásica. Eso crea un dilema: somos capaces de describir matemáticamente ciertos fenómenos de la mecánica cuántica en términos abstractos, pero aún necesitan usar conceptos de la física clásica para comprenderlos completamente", explica Koch.

Los efectos cuánticos, es decir, tipos de comportamiento que no pueden explicarse con las reglas de la física clásica, aparecen cuando los átomos y las moléculas ya no pueden describirse suficientemente por el lugar que ocupan y la velocidad a la que se mueven. "Muestran características que asociamos con la dispersión de ondas, como la interferencia, es decir, la formación de capas constructivas o destructivas de ondas", dice Koch. Además de eso, hay otros fenómenos como el entrelazamiento, que ocurre cuando los objetos de la mecánica cuántica ejercen una influencia inmediata entre sí a pesar de estar espacialmente distantes.

Los efectos cuánticos suelen aparecer en el ámbito de objetos muy pequeños, como átomos y moléculas, y cuando estos objetos están bajo poca influencia de su entorno. Esto último se logra durante periodos de tiempo muy cortos o bajo temperaturas extremadamente bajas cercanas al cero absoluto (-273,15 °C). "Bajo estas circunstancias, solo una pequeña cantidad de los llamados estados cuánticos están disponibles para estas partículas. El sistema básicamente se comporta de manera ordenada", dice Koch.

Las temperaturas más altas permiten un mayor número de estados cuánticos en las partículas, y los efectos de la mecánica cuántica tienden a equilibrarse cuando se distribuyen como un promedio estadístico entre varios estados y, por lo tanto, esencialmente desaparecen de la vista. En este estado, el sistema se comporta de manera más aleatoria y puede describirse mediante estadísticas. Hasta ahora, incluso las colisiones átomo-molécula más frías han mostrado este comportamiento estadísticamente predecible. "Eso ha hecho que sea casi imposible llegar a conclusiones sobre la interacción entre los átomos y las moléculas, lo que significa que no pudimos establecer una conexión directa entre los datos experimentales de la vida real y los modelos teóricos", explica Koch.

Más información: Baruch Margulis et al, Tomografía de los estados de resonancia de Feshbach, Science (2023). DOI: 10.1126/ciencia.adf9888

Información del diario:Ciencia

Proporcionado por la Universidad Libre de Berlín