físicos en Universidad de Colombia llevó las moléculas a un nuevo límite ultrafrío y creó 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 colombiano Sebastián Will, cuyo grupo experimental se especializa en empujar átomos y moléculas a temperaturas de unas pocas fracciones de grado por encima. cero absoluto.

Escribir en NaturalezaEl laboratorio Will, con el apoyo del colaborador teórico Tijs Karman de la Universidad de Radboud en los Países Bajos, logró crear un estado cuántico único de la materia llamado condensado de Bose-Einstein (BEC) a partir de moléculas.

Avance 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 compuesto de moléculas de sodio y cesio. Al igual que las moléculas de agua, estas moléculas son polares, lo que significa que tienen carga tanto positiva como negativa. La distribución desequilibrada de la carga eléctrica facilita las interacciones de largo alcance que conforman la física más interesante, señaló Will.

La investigación que el laboratorio Will está entusiasmado de realizar 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 fricción. También esperan convertir sus BEC en simuladores capaces de recrear las enigmáticas propiedades cuánticas de materiales más complejos, como los cristales sólidos.

Utilizando 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 áreas de investigación completamente nuevas, 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 un sueño que lleva décadas gestándose para la comunidad de investigación de temperaturas ultrafrías en su conjunto.

Moléculas ultrafrías, un siglo en desarrollo

La ciencia de los BEC se remonta a un siglo atrás, gracias a 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 en una escala más manejable que la de átomos o moléculas individuales.

Han pasado unos 70 años desde estas primeras predicciones teóricas, pero los primeros BEC atómicos se crearon en 1995. Esta hazaña fue reconocida con el Premio Nobel de Física en 2001, justo cuando Will hacía su debut en física en la Universidad de Mainz. en Alemania. Actualmente, los laboratorios fabrican de forma rutinaria 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; Weijun Yuan, estudiante de doctorado; Boris Bulatovic, estudiante universitario; Siwei Zhang, estudiante de doctorado; y el investigador principal Sebastian Will. Sin foto: Tijs Karman. Crédito: Universidad de Columbia

Pero los átomos son, en general, relativamente simples. Son objetos redondos y generalmente no presentan interacciones que puedan surgir por polaridad. Desde la creación de los primeros BEC atómicos, los científicos han querido crear versiones más complejas basadas en moléculas. Pero incluso las moléculas diatómicas simples hechas de dos átomos de diferentes elementos unidos entre sí habían 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 compuesto de moléculas de potasio y rubidio a unos 350 nanoKelvin. Estas moléculas ultrafrías han demostrado ser útiles en los últimos años para realizar simulaciones cuánticas y estudiar colisiones moleculares y química cuántica, pero para cruzar el umbral BEC se necesitaban 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 hacerlo más frío, instalaron microondas.

Innovaciones con microondas

Las microondas son una forma de radiación electromagnética con una larga trayectoria en Colombia. En la década de 1930, el físico Isidor Isaac Rabi, que luego recibiría el Premio Nobel de Física, llevó a cabo un trabajo pionero sobre las 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 es parte de esta tradición de 90 años. »

Si bien es posible que esté familiarizado con el papel de las microondas a la hora de recalentar los alimentos, resulta que también pueden facilitar el enfriamiento. Las moléculas individuales tienden a chocar entre sí y, por tanto, forman complejos más grandes que desaparecen de las muestras. Las microondas pueden crear pequeños escudos alrededor de cada molécula que les impiden colisionar, una idea propuesta por Karman, su colaborador en Holanda. Debido a que las moléculas están 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 restantes estarán más frías y la temperatura general de la muestra descenderá.

El equipo estuvo cerca de crear un BEC molecular el otoño pasado en un trabajo publicado en física natural 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 cruzó el umbral BEC, un objetivo que el laboratorio Will había fomentado desde su apertura en Columbia en 2018.

«Fue un cierre fantástico para mí», dijo Bigagli, quien obtuvo su doctorado en física esta primavera y fue miembro fundador del laboratorio. “Pasamos de ningún laboratorio 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, proporciona 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 Ian Stevenson, coautor y becario postdoctoral en Columbia.

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 una excelente pieza de ciencia. «El trabajo tendrá impactos significativos en una serie de campos científicos, incluido el estudio de la química cuántica y la exploración de materiales cuánticos altamente correlacionados», comentó. «El experimento de Will implica un control preciso de las interacciones moleculares para dirigir el sistema hacia el resultado deseado: un logro maravilloso en la tecnología de control cuántico».

El equipo de Columbia, por su parte, está encantado de disponer de una descripción teórica de las interacciones entre moléculas que haya sido validada experimentalmente. «Realmente tenemos una buena idea de las interacciones en este sistema, lo cual también es esencial para los próximos pasos, como explorar la física dipolar de muchos cuerpos», dijo Karman. “Desarrollamos sistemas para controlar las interacciones, los probamos en teoría y los implementamos en el experimento. Realmente ha sido una experiencia increíble ver cómo estas ideas de “protección” contra microondas se hacen realidad 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 estudiar cuestiones abiertas en la física cuántica», afirmó.

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

Esto incluye la dimensionalidad, dijo Weijun Yuan, coprimer autor y estudiante de doctorado. “Nos gustaría utilizar BEC en un sistema 2D. Cuando se pasa de tres dimensiones a dos dimensiones, siempre se puede esperar que surja nueva física”, dijo. 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 que incluyen la superconductividad, la superfluidez y más.

«Parece que se está 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