Un chirurgien cardiaque n'a pas besoin de maîtriser la mécanique quantique pour effectuer des opérations réussies. Même les chimistes n'ont pas toujours besoin de connaître ces principes fondamentaux pour étudier les réactions chimiques. Mais pour Kang-Kuen Ni, le professeur agrégé Morris Kahn de chimie et biologie chimique et de physique, la spéléologie quantique est, comme l'exploration spatiale, une quête pour découvrir un nouveau royaume vaste et mystérieux.

Aujourd'hui, une grande partie de la mécanique quantique s'explique par l'équation de Schrödinger, une sorte de théorie maîtresse qui régit les propriétés de tout sur Terre. « Même si nous le savons, en principe, la mécanique quantique gouverne tout, " Ni a dit, « le voir réellement est difficile et le calculer réellement est presque impossible ».

Avec quelques hypothèses bien raisonnées et quelques techniques innovantes, Ni et son équipe peuvent réaliser le quasi-impossible. Dans leur laboratoire, ils testent les théories quantiques actuelles sur les réactions chimiques par rapport à des données expérimentales réelles pour se rapprocher d'une carte vérifiable des lois qui régissent le mystérieux royaume quantique. Et maintenant, avec la chimie ultrafroide - dans laquelle les atomes et les molécules sont refroidis à des températures juste au-dessus du zéro absolu où ils deviennent hautement contrôlables - Ni et les membres de son laboratoire ont collecté de véritables données expérimentales à partir d'une frontière quantique jusque-là inexplorée, fournir des preuves solides de ce que le modèle théorique a bien (et mal), et une feuille de route pour une exploration plus approfondie des prochaines couches sombres de l'espace quantique.

"Nous connaissons les lois sous-jacentes qui régissent tout, " dit Ni. " Mais parce que presque tout sur Terre est composé d'au moins trois atomes ou plus, ces lois deviennent rapidement beaucoup trop complexes à résoudre."

Dans leur étude rapportée dans La nature , Ni et son équipe ont entrepris d'identifier tous les résultats possibles de l'état de l'énergie, du début à la fin, d'une réaction entre deux molécules de potassium et de rubidium, une réaction plus complexe que celle qui avait été étudiée auparavant dans le domaine quantique. Ce n'est pas une mince affaire :à son niveau le plus fondamental, une réaction entre quatre molécules a un nombre massif de dimensions (les électrons tournant autour de chaque atome, par exemple, pourrait être dans un nombre presque infini d'emplacements simultanément). Cette très grande dimensionnalité rend impossible le calcul de toutes les trajectoires de réaction possibles avec la technologie actuelle.

"Calculer exactement comment l'énergie se redistribue lors d'une réaction entre quatre atomes dépasse la puissance des meilleurs ordinateurs d'aujourd'hui, " dit Ni. Un ordinateur quantique pourrait être le seul outil qui pourrait un jour réaliser un calcul aussi complexe.

En attendant, calculer l'impossible nécessite quelques hypothèses et approximations bien raisonnées (choisir un emplacement pour l'un de ces électrons, par exemple) et des techniques spécialisées qui accordent à Ni et à son équipe un contrôle ultime sur leur réaction.

L'une de ces techniques était une autre découverte récente du laboratoire Ni :dans une étude publiée dans La nature Chimie , elle et son équipe ont exploité une caractéristique fiable des molécules, leur spin nucléaire hautement stable, pour contrôler l'état quantique des molécules en réaction jusqu'aux produits. Ils ont également découvert un moyen de détecter les produits d'un seul événement de réaction de collision, un exploit difficile quand 10, 000 molécules pourraient réagir simultanément. Avec ces deux nouvelles méthodes, l'équipe a pu identifier le spectre unique et l'état quantique de chaque molécule de produit, le genre de contrôle précis nécessaire pour mesurer les 57 voies que leur réaction de potassium-rubidium pourrait emprunter.

Pendant plusieurs mois pendant la pandémie de COVID-19, l'équipe a mené des expériences pour collecter des données sur chacun de ces 57 canaux de réaction possibles, répéter chaque canal une fois par minute pendant plusieurs jours avant de passer au suivant. Heureusement, une fois l'expérience mise en place, il peut être exécuté à distance :les membres du laboratoire peuvent rester à la maison, maintenir la réoccupation du laboratoire aux normes COVID-19, pendant que le système s'activait.

"Le test, " a déclaré Matthew Nichols, un chercheur postdoctoral dans le laboratoire Ni et un auteur sur les deux articles, "indique un bon accord entre la mesure et le modèle pour un sous-ensemble contenant 50 paires d'états, mais révèle des écarts significatifs dans plusieurs paires d'états."

En d'autres termes, leurs données expérimentales ont confirmé que les prédictions précédentes basées sur la théorie statistique (une bien moins complexe que l'équation de Schrödinger) sont exactes, pour la plupart. En utilisant leurs données, l'équipe a pu mesurer la probabilité que leur réaction chimique prenne chacun des 57 canaux de réaction. Puis, ils ont comparé leurs pourcentages avec le modèle statistique. Seuls sept des 57 ont montré une divergence suffisamment importante pour contester la théorie.

"Nous avons des données qui repoussent cette frontière, " dit Ni. "Pour expliquer les sept canaux déviants, nous devons calculer l'équation de Schrödinger, ce qui est encore impossible. Alors maintenant, la théorie doit rattraper son retard et proposer de nouvelles façons d'effectuer efficacement des calculs quantiques aussi précis."

Prochain, Ni et son équipe prévoient de réduire leur expérience et d'analyser une réaction entre seulement trois atomes (une molécule et un atome). En théorie, cette réaction, qui a beaucoup moins de dimensions qu'une réaction à quatre atomes, devrait être plus facile à calculer et à étudier dans le domaine quantique. Et encore, déjà, l'équipe a découvert quelque chose d'étrange :la phase intermédiaire de la réaction dure plusieurs ordres de grandeur plus longtemps que la théorie ne le prédit.

"Il y a déjà du mystère, " dit Ni. " C'est aux théoriciens maintenant. "