mayo 16, 2022

Los físicos aprobecharon miles de moléculas en un solo estado cuántico

Este es un objetivo buscado durante mucho tiempo por los físicos, que esperan aprovechar los sistemas cuánticos complejos para aplicaciones tecnológicas, pero lograr que un grupo de moléculas rebeldes trabajen juntas es tan difícil como pastorear gatos.

Miles de moléculas compartieron el mismo estado cuántico

En un hito importante para la física cuántica, se ha inducido a miles de moléculas a compartir el mismo estado cuántico, bailando juntas al unísono como una gran supermolécula.

Este es un objetivo buscado durante mucho tiempo por los físicos, que esperan aprovechar los sistemas cuánticos complejos para aplicaciones tecnológicas, pero lograr que un grupo de moléculas rebeldes trabajen juntas es tan difícil como pastorear gatos.

«La gente ha estado intentando hacer esto durante décadas, así que estamos muy emocionados», dijo el físico Cheng Chin de la Universidad de Chicago.

Superposición cuántica.

«Espero que esto pueda abrir nuevos campos en la química cuántica de muchos cuerpos. Hay evidencia de que hay muchos descubrimientos esperando por ahí».

El concepto de muchas partículas que actúan juntas como una gran partícula, compartiendo sus estados cuánticos, no es nuevo. Lo hemos logrado y experimentado con él durante décadas con nubes de átomos individuales en un estado de materia llamado condensado de Bose-Einstein.

Estos se forman a partir de átomos enfriados a solo una fracción por encima del cero absoluto (pero sin llegar al cero absoluto, momento en el que los átomos dejan de moverse). Esto hace que se hundan a su estado de energía más baja, moviéndose extremadamente lento para que sus diferencias de energía desaparezcan, lo que los lleva a superponerse en superposición cuántica.

Nube de átomos de alta densidad: un ‘superátomo’

El resultado es una nube de átomos de alta densidad que actúa como un ‘superátomo’ u onda de materia.

Las moléculas, sin embargo, están formadas por múltiples átomos unidos entre sí y, por lo tanto, son mucho más difíciles de domesticar de esta manera.

«Los átomos son objetos esféricos simples, mientras que las moléculas pueden vibrar, rotar, transportar pequeños imanes», explicó Chin. «Debido a que las moléculas pueden hacer tantas cosas diferentes, las hace más útiles y, al mismo tiempo, mucho más difíciles de controlar».

Moléculas que ocupaban el mismo estado cuántico, con los mismos giros, orientación y vibración

Para crear su condensado molecular de Bose-Einstein, el equipo, dirigido por el físico Zhendong Zhang de la Universidad de Chicago, comenzó con un condensado atómico de Bose-Einstein, utilizando un gas de 60.000 átomos de cesio.

A continuación, enfriaron aún más el condensado y aumentaron el campo magnético de modo que alrededor del 15 por ciento de los átomos de cesio colisionaron y se unieron en pares para formar moléculas de dicesio. Los átomos no unidos fueron expulsados ​​de la trampa y se aplicó un gradiente de campo magnético para levitar y restringir las moléculas restantes en una configuración bidimensional.

Las moléculas en una superficie 2D solo podrán moverse en dos direcciones

«Por lo general, las moléculas quieren moverse en todas las direcciones y, si se lo permite, son mucho menos estables», dijo Chin. «Confinamos las moléculas para que estén en una superficie 2D y solo puedan moverse en dos direcciones».

El gas resultante estaba formado por moléculas que los científicos encontraron que ocupaban el mismo estado cuántico, con los mismos giros, orientación y vibración.

Todavía tenemos que explorar lo que puede hacer un condensado molecular de Bose-Einstein, pero este es un paso significativo en esa dirección, proporcionando un lienzo vacío para experimentos futuros.

No solo para el condensado molecular en sí, sino también para la transición entre los condensados ​​de Bose-Einstein atómicos y moleculares. Explorar cómo funciona esto ayudará a los científicos a agilizar el proceso, para que podamos desarrollar condensados ​​con otras moléculas que pueden ser más fáciles de mantener o más eficientes para diferentes aplicaciones tecnológicas.

«En la forma tradicional de pensar en la química, uno piensa en algunos átomos y moléculas que chocan y forman una nueva molécula», dijo Chin.

«Pero en el régimen cuántico, todas las moléculas actúan juntas, en comportamiento colectivo. Esto abre una forma completamente nueva de explorar cómo las moléculas pueden reaccionar todas juntas para convertirse en un nuevo tipo de molécula».