Datos de distribución de velocidades de un gas de átomos de rubidio antes, durante y después de la aparición de los condensados de Bose-Einstein. El pico se forma cuando todos los átomos ocupan el estado de energía cuántica más bajo posible.Crédito: Instituto Nacional de Estándares y Tecnología/Biblioteca de Imágenes Científicas
El extraño estado de la materia se volvió más extraño y más útil. Los físicos han logrado enfriar moléculas hasta el punto de que cientos de ellas encajan entre sí, formando un estado cuántico gigante. Estos sistemas podrían usarse para explorar físicas exóticas, como la creatividad. Sólidos que pueden fluir sin resistencia.O podría constituir la base de un nuevo tipo de computadora cuántica.
Los físicos han estado creando estados similares, conocidos como condensados de Bose-Einstein, con átomos desde 1995, y Lo utilizan para comprender una amplia gama de fenómenos cuánticos.. Pero también ansiaban fabricar esos condensadores a partir de moléculas estables. Las moléculas interactúan de maneras más complejas que los átomos, lo que brinda mayores oportunidades para la investigación y las tecnologías cuánticas. Pero también es difícil enfriarlos hasta las milmillonésimas de grado por encima del cero absoluto necesarias para formar condensados.
“Los físicos llevan más de una década intentando crear condensados de partículas de Bose-Einstein”, dice Giacomo Valtolina, físico del Instituto Fritz Haber de Berlín. Investigación publicada en naturaleza el 3 de junio1“Él es el primero en lograr este objetivo”, afirma. “Este artículo es muy interesante”.
grotesco
Los físicos cuánticos predijeron en la década de 1920 que cuando la materia se enfriara hasta cerca del cero absoluto, comenzaría a comportarse de maneras extrañas. El principio de incertidumbre de Heisenberg Cuanto más precisamente conozcamos el momento de una partícula, dice, mayor será la incertidumbre en su ubicación. Si el material se enfría tanto que se vuelve casi estacionario, la incertidumbre en su posición aumenta. Una vez que la incertidumbre se vuelve mayor que la distancia entre las partículas, se vuelven indistinguibles y se superponen para ocupar un único estado cuántico de menor energía, el condensado de Bose-Einstein.
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Este sistema exhibe un comportamiento cuántico colectivo bien controlado a escala microscópica, lo que permite a los investigadores utilizarlo como campo de juego para simular fenómenos como Tipos extraños de magnetismo Y el Radiación de Hawking emitida por un agujero negro típico. Los condensados se han utilizado como sensores cuánticos y relojes atómicos. Hasta que fue al espacio.
Las moléculas son más complejas que los átomos, afirma Sebastian Weyl, físico de la Universidad de Columbia en la ciudad de Nueva York, quien dirigió el trabajo reciente. Pueden girar y vibrar de maneras que son imposibles para los átomos, y las moléculas polares (que tienen extremos cargados tanto positiva como negativamente) pueden interactuar a grandes escalas a través de fuerzas electromagnéticas. Dado que estas interacciones de largo alcance “determinan las propiedades de la materia que nos rodea”, los condensados moleculares permitirán a los físicos simular y comprender una gama mucho más amplia de fenómenos, afirma.
Pero hay un problema. “En comparación con los átomos, las moléculas son más difíciles de controlar y enfriar”, dice Zoe Yan, física de la Universidad de Chicago en Illinois.
Las estructuras sueltas conocidas como partículas de Fishbach ya se han convertido en condensados anteriormente. Pero en las moléculas estables, la etapa final del enfriamiento, que es la conversión de las nubes en condensado, se ve frustrada por reacciones químicas entre las moléculas en colisión. Estas interacciones calientan las moléculas y hacen que escapen de la nube, dejando muy pocas moléculas con las que trabajar.
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Weil y su equipo encontraron una manera de evitar estas colisiones en una nube de moléculas polares, cada una formada por un átomo de sodio y un átomo de cesio. El equipo aplicó dos tipos diferentes de campos de microondas a la nube, uno para hacer girar las partículas y el otro para hacerlas oscilar. Juntos, estos campos orientan las moléculas de modo que siempre se repelen entre sí. “Esto resultó ser fundamental”, dice Will.
Esta repulsión evitó colisiones, lo que permitió al equipo enfriar aún más las moléculas expulsando las más calientes, sin perder demasiadas. El resultado fue un condensado de más de 1.000 moléculas, enfriado a 6 milmillonésimas de grado por encima del cero absoluto. La característica distintiva de los condensados de Bose-Einstein “se manifiesta claramente”, afirma Valtolina.
Los resultados son “sorprendentes”, dice Yan. “Realmente inspirarán y motivarán al resto de la comunidad molecular fría”.
Etapas extrañas
Los condensados moleculares de Bose-Einstein se pueden utilizar de innumerables formas. Una posibilidad, dice Valtolina, es crear fases exóticas de supersolidez, donde el sólido fluya sin resistencia. Hasta ahora esto sólo se había logrado en gases atómicos con interacciones magnéticas, y ahora puede lograrse en moléculas polares, cuyas interacciones son “mucho más fuertes”, afirma.
Las moléculas forman un nuevo estado de la materia.
Los físicos también podrán probar predicciones sobre cómo se comportará esta materia exótica. Al ajustar los campos de microondas para permitir cierta interacción entre las moléculas, el equipo espera ver el sistema separarse en gotas cuánticas, una nueva fase de la materia, dice Weil. Al confinar los condensados en dos dimensiones con un láser, el equipo también espera observar las moléculas mientras se organizan, bajo un microscopio, para formar una especie de cristal. “Esto es algo que nunca fue posible”, dice Will.
Weil añade que las moléculas de condensado también podrían constituir la base de un nuevo tipo de ordenador cuántico. Debido a que cada partícula se encuentra en un estado conocido e idéntico, se puede separar para formar bits cuánticos, o qubits, las unidades de información en una computadora cuántica. Los estados de espín cuántico de las partículas, que pueden usarse para almacenar información, pueden permanecer fuertes durante minutos, lo que permite cálculos largos y complejos.
La reacción ante el artículo “fue algo que nunca antes había experimentado”, dice Weil. “A la gente realmente le gusta el potencial de esto”.