Por primera vez, los científicos han conseguido observar directamente una parte crucial de las reacciones químicas. Utilizando un ordenador cuántico, han logrado ralentizar este proceso molecular 100 000 millones de veces.
Algo que normalmente ocurre en femtosegundos (una trillonésima de segundo) en la naturaleza y a nuestro alrededor puede observarse ahora en milisegundos en el laboratorio.
“Queremos entender mejor los procesos básicos que tienen lugar dentro de las moléculas y entre ellas. Esto abre todo tipo de nuevas posibilidades para campos como la ciencia de materiales, el diseño de nuevos medicamentos y el aprovechamiento de la energía solar”, explica la investigadora principal, Vanessa Olaya Agudelo, cuyo innovador estudio aparece en Nature. “También puede ayudarnos a entender otros procesos en los que las moléculas reaccionan a la luz, por ejemplo cómo se forma el smog o cómo se agota la capa de ozono”.
Intersección cónica: ordenador cuántico
Los científicos de la Universidad de Sydney consiguieron observar y registrar un tipo específico de patrón de interferencia de un solo átomo. Este patrón surge de una estructura química geométrica común denominada “intersección cónica”. Las intersecciones cónicas se dan en toda la química y son una parte crucial de los procesos fotoquímicos, como la absorción de la luz por nuestros ojos y la fotosíntesis, en la que plantas, algas y bacterias utilizan la energía de la luz solar para convertir el dióxido de carbono en glucosa y oxígeno.
Los químicos llevan desde la década de 1950 intentando observar directamente la dinámica de las reacciones químicas, pero hasta ahora no lo han conseguido debido a las brevísimas escalas de tiempo implicadas.
Para resolver este problema, científicos cuánticos australianos pusieron en marcha un experimento que empleaba un ordenador cuántico de “iones atrapados” de una forma totalmente novedosa. Esto les permitió utilizar un dispositivo cuántico relativamente pequeño para cartografiar este complicadísimo problema, tras lo cual fueron capaces de ralentizar el proceso por un factor de 100.000 millones.
Observaciones y mediciones análogas
“En la naturaleza, todo este proceso tiene lugar en unos pocos femtosegundos”, explica Olaya Agudelo. “Utilizando nuestro ordenador cuántico, construimos un sistema que nos permitió ralentizar la dinámica de las reacciones químicas de femtosegundos a milisegundos. Esto nos permitió realizar importantes observaciones y mediciones. Esto nunca se había hecho antes”.
Dinámica de la fase geométrica
El físico Christophe Valahu se muestra igualmente entusiasmado. “Hasta ahora, nunca habíamos conseguido observar directamente la dinámica de la ‘fase geométrica’. El proceso es sencillamente demasiado rápido para captarlo experimentalmente. Pero con la ayuda de la tecnología cuántica, hemos podido resolver este problema”. Compara la técnica con la simulación de patrones de aire moviéndose alrededor del ala de un avión en un túnel de viento. “Nuestro experimento no es una aproximación digital del proceso. Se trata de una observación analógica directa de la dinámica cuántica creada durante el proceso, a una velocidad en la que podemos observarla y analizarla”, explica Valahu.
Transferencia de energía molecular
En reacciones fotoquímicas como la fotosíntesis, en la que una planta utiliza la energía del sol, se produce una transferencia de energía molecular a la velocidad de la luz. En este proceso se forman regiones de intercambio que llamamos intersecciones cónicas. En el estudio, esta dinámica se ralentizó masivamente en el ordenador cuántico y los rasgos característicos de la fotoquímica predichos por los químicos teóricos se observaron por fin en la práctica. “Es un gran resultado. Sin duda nos ayudará a comprender mejor la dinámica ultrarrápida de las reacciones químicas, es decir, la forma en que las moléculas cambian en las escalas de tiempo más pequeñas”, afirma el investigador Ivan Kassal. “Es fantástico que en la Universidad de Sídney tengamos acceso al mejor ordenador cuántico programable de toda Australia. Por eso seguiremos investigando estos fenómenos”.
Lo que también tiene de especial el descubrimiento es la colaboración entre teóricos y científicos experimentales. “Se trata de una magnífica colaboración entre teóricos de la química y físicos cuánticos experimentales. Hemos utilizado un nuevo enfoque de la física para resolver un viejo problema de la química. Y eso es genial”, concluye el investigador Ting Rei Tan.