físicos en Universidad de Colombia llevaron las moléculas a un nuevo límite ultrafrío y crearon un estado de la materia donde reina la mecánica cuántica.

Hay un nuevo BEC en la ciudad que no tiene nada que ver con tocino, huevos y queso. No lo encontrará en su bodega local, sino en el lugar más frío de Nueva York: el laboratorio del físico de Columbia Sebastian Will, cuyo grupo experimental se especializa en llevar átomos y moléculas a temperaturas apenas fracciones de grado más altas. cero absoluto.

Escribiendo en NaturalezaEl laboratorio 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.

Avances en los condensados ​​de Bose-Einstein

Su BEC, enfriado a sólo cinco nanoKelvin, o alrededor de -459,66°F, 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 una carga negativa. La distribución desequilibrada de la carga eléctrica facilita las interacciones de largo alcance que hacen que la física sea más interesante, señaló Will.

La investigación que el laboratorio Will está entusiasmado por llevar a cabo con sus BEC moleculares incluye la exploración de una serie de fenómenos cuánticos diferentes, incluidos nuevos tipos de superfluidez, un estado de la materia que fluye sin experimentar ninguna fricción. También esperan convertir sus BEC en simuladores que puedan recrear las enigmáticas propiedades cuánticas de materiales más complejos, como los cristales sólidos.

Con la ayuda de microondas, los físicos de Columbia crearon un condensado de Bose-Einstein, un estado único de la materia, a partir de moléculas de sodio y cesio. Crédito: Will Lab, Universidad de Columbia/Myles Marshall

«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. «Este es un logro emocionante, pero en realidad es sólo el comienzo».

Es un sueño hecho realidad para el laboratorio Will y uno que ha estado trabajando para la comunidad de investigación de ultraglue durante décadas.

Moléculas ultrafrías, un siglo en desarrollo

La ciencia de los BEC se remonta a un siglo atrás, con los físicos Satyendra Nath Bose y Albert Einstein. En una serie de artículos publicados en 1924 y 1925, predijeron que un grupo de partículas enfriadas hasta casi detenerse se fusionarían en una superentidad única y más grande con propiedades y comportamientos compartidos dictados por las leyes de la mecánica cuántica. Si se pudieran crear BEC, ofrecerían a los investigadores una plataforma atractiva para explorar la mecánica cuántica a una escala más manejable que los átomos o moléculas individuales.

Pasaron unos 70 años desde estas primeras predicciones teóricas, pero los primeros BEC atómicos se crearon en 1995. El logro fue reconocido con el Premio Nobel de Física en 2001, justo en la época en que Will comenzaba su carrera en física en la Universidad de Mainz. . En Alemania. Los laboratorios ahora producen rutinariamente BEC atómicos a partir de varios tipos diferentes de átomos. Estos BEC han ampliado nuestra comprensión de conceptos como la naturaleza ondulatoria de la materia y los superfluidos y han llevado al desarrollo de tecnologías como los microscopios cuánticos de gases y los simuladores cuánticos, por nombrar algunos.

De izquierda a derecha: el científico investigador asociado Ian Stevenson; el estudiante de doctorado Niccolò Bigagli; el estudiante de doctorado Weijun Yuan; el estudiante de posgrado Boris Bulatovic; el estudiante de doctorado Siwei Zhang; y el investigador principal Sebastian Will. No aparece: Tijs Karman. Crédito: Universidad de Columbia

Pero los átomos son, en el gran esquema de las cosas, relativamente simples. Son objetos redondos y generalmente no presentan interacciones que pudieran surgir por polaridad. Desde que se crearon los primeros BEC atómicos, los científicos han querido crear versiones más complicadas a partir de moléculas. Pero incluso las moléculas diatómicas simples, formadas por dos átomos de diferentes elementos unidos entre sí, han resultado difíciles de enfriar por debajo de la temperatura necesaria para formar un BEC adecuado.

El primer avance se produjo en 2008, cuando Deborah Jin y Jun Ye, físicos de JILA en Boulder, Colorado, enfriaron un gas de moléculas de potasio y rubidio a unos 350 nanoKelvin. Estas moléculas ultrafrías han demostrado ser útiles para realizar simulaciones cuánticas y para estudiar colisiones moleculares y química cuántica en los últimos años, pero para cruzar el umbral BEC se requerían temperaturas aún más bajas.

En 2023, el laboratorio Will creó el primer gas ultrafrío de su molécula preferida, sodio-cesio, utilizando una combinación de enfriamiento por láser y manipulaciones magnéticas, similar al enfoque de Jin y Ye. Para enfriarlo trajeron microondas.

Innovaciones en microondas

Las microondas son una forma de radiación electromagnética con una larga historia en Columbia. En la década de 1930, el físico Isidor Isaac Rabi, que más tarde recibiría el Premio Nobel de Física, realizó un trabajo pionero en microondas que condujo al desarrollo de sistemas de radar aerotransportados. «Rabi fue uno de los primeros en controlar los estados cuánticos de las moléculas y fue un pionero en la investigación de microondas», dijo Will. «Nuestro trabajo sigue esta tradición de 90 años».

Si bien es posible que esté familiarizado con el papel de las microondas para calentar alimentos, también pueden facilitar el enfriamiento. Las moléculas individuales tienden a chocar entre sí y, como resultado, forman 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 tu taza de café cuando la soplas, explicó el autor Niccolò Bigagli. Las moléculas que quedan se enfriarán y la temperatura general de la muestra descenderá.

El equipo estuvo cerca de crear BEC molecular el otoño pasado en un trabajo publicado en Física de la naturaleza quien introdujo el método de protección contra microondas. Pero se necesitaba otro giro experimental. Cuando agregaron un segundo campo de microondas, el enfriamiento se volvió aún más eficiente y el sodio-cesio finalmente superó el límite BEC, un objetivo al que aspiraba el laboratorio Will desde su apertura en Columbia en 2018.

“Este fue un cierre fantástico para mí”, dijo Bigagli, quien se graduó en física esta primavera y fue miembro fundador del laboratorio. “Pasamos de no tener todavía un laboratorio instalado a estos fantásticos resultados”.

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.

Se abre un nuevo mundo para la física cuántica

Ye, un pionero de la ciencia ultrafría con sede en Boulder, considera que los resultados son un hermoso trabajo científico. “El trabajo tendrá importantes impactos en varios campos científicos, incluido el estudio de la química cuántica y la exploración de materiales cuánticos fuertemente correlacionados”, comentó. «El experimento de Will presenta un control preciso de las interacciones moleculares para guiar el sistema hacia el resultado deseado: un logro maravilloso en la tecnología de control cuántico».

El equipo de Columbia, por su parte, está entusiasmado de disponer de una descripción teórica de las interacciones entre moléculas que haya sido validada experimentalmente. «Tenemos una idea muy clara de las interacciones en este sistema, lo que también es fundamental para los próximos pasos, como la exploración de la física dipolar de muchos cuerpos», dijo Karman. “Creamos esquemas para controlar las interacciones, los probamos en teoría y los implementamos en experimentos. Realmente ha sido una experiencia increíble ver cómo se implementan estas ideas de “protección” contra microondas en el laboratorio”.

Hay docenas de predicciones teóricas que ahora se pueden probar experimentalmente con BEC moleculares, que según el coprimer autor y estudiante de doctorado Siwei Zhang son bastante estables. La mayoría de los experimentos ultrafríos se llevan a cabo en un segundo (algunos tan cortos como unos pocos milisegundos), pero los BEC moleculares del laboratorio duran más de dos segundos. «Esto realmente nos permitirá investigar cuestiones abiertas en la física cuántica», afirmó.

Una idea es crear cristales artificiales con los BEC atrapados en una red óptica hecha de láseres. Esto permitiría poderosas simulaciones cuánticas que imitan las interacciones en cristales naturales, señaló Will, que es un área de enfoque en la física de la materia condensada. Los simuladores cuánticos se fabrican habitualmente con átomos, pero los átomos tienen interacciones de corto alcance (prácticamente necesitan estar uno encima del otro), lo que limita su capacidad para modelar materiales más complicados. «El BEC molecular introducirá más sabor», dijo Will.

Esto incluye la dimensionalidad, dijo el coautor y estudiante de doctorado Weijun Yuan. “Nos gustaría utilizar BEC en un sistema 2D. Cuando se pasa de tres dimensiones a dos, siempre se puede esperar que surja nueva física”, afirmó. Los materiales 2D son un área importante de investigación en Columbia; Tener un sistema modelo hecho de BEC moleculares podría ayudar a Will y sus colegas de materia condensada a explorar fenómenos cuánticos, incluida la superconductividad, la superfluidez y más.

«Parece como si se estuviera abriendo un mundo completamente nuevo de posibilidades», dijo Will.

Referencia: “Observación de la condensación de moléculas dipolares de Bose-Einstein” por Niccolò Bigagli, Weijun Yuan, Siwei Zhang, Boris Bulatovic, Tijs Karman, Ian Stevenson y Sebastian Will, 3 de junio de 2024, Naturaleza.
DOI: 10.1038/s41586-024-07492-z