Los físicos de la Universidad de Columbia han llevado las moléculas a un nuevo límite ultrafrío y han creado un estado de la materia en el que reina la mecánica cuántica.
El grupo de física experimental dirigido por Sebastian Will se especializa en llevar átomos y moléculas a temperaturas de apenas fracciones de grado por encima del cero absoluto.
En un artículo publicado en Nature, el laboratorio de Will, apoyado por el colaborador teórico Tijs Karman de la Universidad de Radboud en los Países Bajos, ha creado con éxito un estado cuántico único de la materia llamado Condensado de Bose-Einstein (BEC) a partir de moléculas.
Su BEC, enfriado a sólo cinco nanoKelvin, o alrededor de -273,14 grados Celsius, y estable durante dos segundos sorprendentemente largos, está hecho de moléculas de sodio y cesio. Al igual que las moléculas de agua, estas moléculas son polares, lo que significa que tienen una carga positiva y otra negativa. La distribución desequilibrada de la carga eléctrica facilita las interacciones de largo alcance que conducen a la física más interesante, señaló Will.
La investigación, publicada en Nature, incluye la exploración de una serie de fenómenos cuánticos diferentes, incluidos nuevos tipos de superfluidez, un estado de la materia que fluye sin experimentar fricción alguna. También esperan convertir sus BEC en simuladores que puedan recrear las enigmáticas propiedades cuánticas de materiales más complejos, como los cristales sólidos.
“Los condensados moleculares de Bose-Einstein abren nuevas áreas de investigación, desde la comprensión de la física verdaderamente fundamental hasta el avance de poderosas simulaciones cuánticas”, dijo en un comunicado. “Este es un logro emocionante, pero en realidad es sólo el comienzo”.
En 2023, el laboratorio de Will creó el primer gas ultrafrío a partir de su molécula preferida, sodio-cesio, utilizando una combinación de enfriamiento por láser y manipulaciones magnéticas. Para enfriarlo más incorporaron un microondas.
Las moléculas individuales tienden a chocar entre sí y, como resultado, formarán complejos más grandes que desaparecen de las muestras. Las microondas pueden crear pequeños escudos alrededor de cada molécula que evitan que colisionen, una idea propuesta por Karman, su colaborador en Holanda. Con las moléculas protegidas de colisiones con pérdidas, sólo las más calientes pueden eliminarse preferentemente de la muestra (el mismo principio físico que enfría una taza de café cuando se sopla sobre ella), explicó el autor Niccolò Bigagli. Las moléculas que queden estarán más frías y la temperatura general de la muestra disminuirá.
El equipo estuvo cerca de crear un BEC molecular el otoño pasado en un trabajo publicado en Nature Physics que introdujo el método de protección contra microondas. Pero era necesario otro giro experimental. Cuando agregaron un segundo campo de microondas, el enfriamiento se volvió aún más eficiente y el sodio-cesio finalmente cruzó el umbral BEC, un objetivo que el laboratorio de Will había albergado desde su apertura en Columbia en 2018.
Además de reducir las colisiones, el segundo campo de microondas también puede manipular la orientación de las moléculas. Esto, a su vez, es una forma de controlar cómo interactúan, algo que el laboratorio está explorando actualmente. “Al controlar estas interacciones dipolares, esperamos crear nuevos estados y fases cuánticas de la materia”, dijo el coautor y postdoctorado de Columbia, Ian Stevenson.
