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  • Foto do escritorRonald Américo

Além dos Buracos Negros: Como as Reações Químicas Emaranham o Mundo Quântico


Nada pertuba a física quântica como aqueles buracos negros assustadores que devoram tudo no espaço. Se você quer bagunçar informações como quem mexe uma omelete, é só encontrar um horizonte de eventos e deixar as coisas caírem.


Segundo cientistas teóricos da Universidade Rice e da Universidade de Illinois em Urbana-Champaign, nos EUA, até a química mais básica pode embaralhar informações quânticas quase tão bem quanto um buraco negro.


Eles utilizaram uma ferramenta matemática antiga para conectar a física conhecida com os efeitos quânticos na supercondutividade. Descobriu-se que as partículas, ao reagirem umas com as outras, se embaralham muito rapidamente e de maneira eficiente, quase como se estivessem sendo sugadas por um buraco negro.



Segundo Peter Wolynes, um dos cientistas da Universidade Rice, "esse estudo resolve um problema antigo na física química, sobre o quão rápido as informações quânticas se emaranham em moléculas"

“Quando as pessoas pensam em uma reação onde duas moléculas se unem, elas geralmente imaginam que os átomos estão apenas fazendo um movimento único, seja para formar uma ligação ou para quebrá-la”, completa.



Por trás dos modelos clássicos de "bolas e varetas" dos átomos se unindo para formar moléculas, está um universo muito mais complexo e que tem mais em comum com a matemática dos jogos de azar do que com uma engenharia exata. Num cenário quântico, estados de possibilidade podem surgir e desaparecer como as probabilidades em um jogo de pôquer, à medida que os destinos das partículas se entrelaçam. Cada reviravolta na reação - cada novo elétron, cada próton adicionado - vira uma nova carta que altera as apostas de maneiras sutis, mas críticas.


Ao contrário dos eventos do tipo "tudo ou nada" na física clássica, onde as partículas se juntam ou se afastam com base em quantidades específicas de energia, nos estados quânticos há uma dose de sorte e aleatoriedade envolvida. Isso significa que barreiras podem ser ultrapassadas sem precisar pagar pedágios. Chamado de "tunelamento", esse fenômeno quântico pode complicar ainda mais o entendimento da mudança dos estados quânticos. O que parece uma aposta simples acaba se transformando em uma bagunça caótica que depende de inúmeros fatores para fazer sentido.


Uma das formas de entender as pequenas mudanças que causam o caos na física quântica  utiliza algo chamado correlações fora de ordem temporal, ou OTOCs - do inglês out-of-time-order correlators. Originalmente criadas nos anos 1960 para estudar supercondutividade, elas voltaram a ser usadas décadas depois para compreender como as informações se movem nos buracos negros.


"O quão rápido um OTOC aumenta com o tempo diz o quão rápido a informação está sendo emaranhada no sistema quântico, ou seja, quantos estados com aparência aleatória estão sendo acessados," explica o químico Martin Gruebele da Universidade de Illinois em Urbana-Champaign.



Os cálculos da equipe mostraram que o tunelamento é mais provável de ocorrer entre grupos de partículas confinadas que requerem pouca energia para reagir, especialmente quando mantidas a uma temperatura suficientemente baixa. 


Na verdade, essa propensão para o tunelamento surgir em reações tão sensíveis pode emaranhar informações quânticas em uma escala de tempo inferior a um picossegundo (equivalente a um trilionésimo de segundo). Isso está na mesma ordem de grandeza dos buracos negros, que são verdadeiros mestres em pegar estados quânticos e misturá-los em uma massa imaginavel.


É interessante notar que, quando essas mesmas reações acontecem em ambientes mais semelhantes ao mundo real - como uma solução em grande quantidade ou uma mistura de materiais biológicos - o comportamento de emaranhamento é "suprimido". Espera-se que, ao encontrar as ferramentas adequadas para mapear o caos quântico em nível químico, os engenheiros possam ajustar os materiais para minimizar o tunelamento onde não é desejado, ou controlá-lo para aplicações inovadoras.


"Há potencial para estender essas ideias para processos nos quais você não estaria apenas tunelando em uma reação específica, mas teria múltiplas etapas de tunelamento", diz Gruebele, "porque isso está envolvido, por exemplo, na condução de elétrons em muitos dos novos materiais quânticos macios, como perovskitas, que estão sendo usadas para fabricar células solares e outros dispositivos."









REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS


[1] Esse estudo está publicado em  PNAS: https://dx.doi.org/10.1073/pnas.2321668121






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