Surge un único estado cuántico de la materia en Colombia

Concepto de última generación de la física cuántica

Investigadores de la Universidad de Columbia han creado un condensado de Bose-Einstein (BEC) con moléculas de sodio y cesio, que se enfría a sólo cinco nanoKelvin y es estable durante dos segundos. Este logro abre posibilidades para investigar diversos fenómenos cuánticos y simular las propiedades cuánticas de materiales complejos. Crédito: SciTechDaily.com

Físico en

Universidad de Colombia
La Universidad de Columbia es una universidad privada de investigación de la Ivy League en la ciudad de Nueva York que fue fundada en 1754. Esto la convierte en la institución de educación superior más antigua de Nueva York y la quinta más antigua de los Estados Unidos. A menudo se la conoce simplemente como Columbia, pero su nombre oficial es Universidad de Columbia en la ciudad de Nueva York.

» data-gt-translate-attributes=»({«attribute»:»data-cmtooltip», «format»:»html»})» tabindex=»0″ role=»link»>Universidad de Columbia Las moléculas han alcanzado un nuevo límite ultrafrío y han creado un estado de la materia dominado por la mecánica cuántica.

Hay un nuevo BEC de moda 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 una fracción de grado superiores.

cero absoluto
El cero absoluto es la temperatura teórica más baja en la escala de temperatura termodinámica. A esta temperatura, todos los átomos de un objeto están en reposo y el objeto no libera ni absorbe energía. El valor acordado internacionalmente para esta temperatura es -273,15 °C (-459,67 °F; 0,00 K).

» data-gt-translate-attributes=»({«attributes»:»data-cmtooltip», «format»:»html»})» tabindex=»0″ role=»link»>cero absoluto.

Escrito AwaEl laboratorio de Will, apoyado por su colega teórico Tijs Karman de la Universidad de Radboud en los Países Bajos, ha creado con éxito un estado cuántico único a partir de moléculas llamadas Condensado de Bose-Einstein (BEC).

Éxito en los condensados ​​de Bose-Einstein

Su BEC, enfriado a sólo cinco nanoKelvin, o -459,66°F, y que dura dos segundos notablemente 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 carga tanto positiva como negativa. La distribución desigual de la carga eléctrica facilita las interacciones de largo alcance que conforman la física más fascinante, señaló Will.

La investigación que el laboratorio de Will está entusiasmado de realizar con sus BEC moleculares implica investigar muchos fenómenos cuánticos diferentes, incluidos nuevos tipos de superfluidez, un estado de la materia que fluye sin experimentar colisiones. También esperan convertir sus BEC en simuladores que puedan recrear las enigmáticas propiedades cuánticas de materiales más complejos, como los cristales sólidos.

Un estado molecular de la materia cuántica

Utilizando microondas, los físicos de Columbia han creado 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 están abriendo nuevas áreas de investigación, desde la comprensión de la física realmente fundamental hasta el desarrollo de potentes simulaciones cuánticas», afirmó. «Este es un logro impresionante, pero en realidad es sólo el comienzo».

Es un sueño hecho realidad para el laboratorio de Will y uno que lleva décadas desarrollándose para la comunidad de investigación ultrafría en general.

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 convertirían en una sola y gran superestructura con propiedades y comportamientos comunes dictados por las leyes de la mecánica cuántica. Si se crearan BEC, ofrecerían a los investigadores una plataforma interesante para explorar la mecánica cuántica a una escala mucho más fina que los átomos o moléculas individuales.

Han pasado casi 70 años desde aquellas 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 cuando Will comenzaba física en la Universidad de Mainz. en Alemania. Actualmente, los laboratorios fabrican de forma rutinaria BEC atómicos a partir de varios tipos de átomos. Estos BEC han ampliado nuestra comprensión de conceptos como la naturaleza ondulatoria de la materia y las supercorrientes y han llevado al desarrollo de tecnologías como los microscopios cuánticos de gases y los simuladores cuánticos, por nombrar algunos.

Equipo BEC de la Universidad de Columbia

De izquierda a derecha: investigador científico asociado Ian Stevenson; el estudiante de doctorado Niccolò Bigagli; el estudiante de doctorado Weijun Yuan; el estudiante universitario 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, en el gran esquema de las cosas, son relativamente simples. Son objetos redondos y normalmente no indican interacciones que puedan ocurrir debido a la polaridad. Desde que se crearon los primeros BEC atómicos, los científicos han buscado crear versiones más complejas hechas de moléculas. Pero incluso las moléculas diatómicas simples hechas de dos átomos de diferentes elementos unidos entre sí resultaron 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 alrededor de 350 nanoKelvin. Estas moléculas ultrafrías han sido útiles para realizar simulaciones cuánticas y estudiar colisiones moleculares y química cuántica en los últimos años, pero se necesitaban temperaturas aún más bajas para superar el límite BEC.

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

Innovación con microondas

Las microondas son un tipo de radiación electromagnética que tiene una larga historia en Colombia. En la década de 1930, el físico Isidor Isaac Rabi, que ganaría el Premio Nobel de Física, realizó un trabajo pionero sobre las microondas que condujo al desarrollo de sistemas de radar aerotransportados. «El rabino fue uno de los primeros en controlar los estados cuánticos de las moléculas y fue pionero en el estudio de las microondas», dijo Will. «Nuestro trabajo sigue esa tradición de 90 años».

Si bien es posible que esté familiarizado con el papel de las microondas a la hora de calentar los alimentos, resulta que también pueden facilitar el enfriamiento. Las moléculas individuales tienen tendencia a colisionar y eventualmente formarán complejos más grandes que se pierden de las muestras. Las microondas pueden crear pequeños escudos alrededor de cada molécula para evitar que colisionen, una idea propuesta por Karman, su colega en los Países Bajos. El autor Niccolò Bigagli explicó que con las moléculas protegidas contra colisiones perdidas, sólo las más calientes pueden eliminarse preferentemente de la muestra, el mismo principio físico que enfría tu taza de café cuando la soplas. Las moléculas que queden estarán más frías y la temperatura general de la muestra descenderá.

El equipo estuvo cerca de crear un BEC molecular en un trabajo publicado el pasado otoño. Física de la naturaleza que introdujo el método de protección por microondas. Pero se necesitaban aún más pruebas. Cuando agregaron un segundo campo de microondas, el enfriamiento se volvió aún más eficiente y el sodio-cesio finalmente superó el límite de BEC, un objetivo que el laboratorio de Will ha mantenido desde que abrió en Columbia en 2018.

«Fue un cierre fantástico para mí», dijo Bigagli, quien se graduó esta primavera con su doctorado en física y fue miembro fundador del laboratorio. «Pasamos de no tener un laboratorio todavía a estos fantásticos resultados».

Además de reducir las colisiones, el segundo campo de microondas también puede manipular la orientación de las moléculas. Esa resulta ser una forma de controlar su interacción, que el laboratorio está investigando actualmente. «Al controlar estas interacciones dipolares, esperamos crear nuevos estados y fases cuánticas», dijo el coautor e investigador postdoctoral 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 parte de una ciencia hermosa. «El trabajo tendrá implicaciones importantes para una serie de áreas científicas, incluido el estudio de la química cuántica y la investigación de materiales cuánticos fuertemente relacionados», comentó. «El experimento de Will implica un control preciso de las interacciones moleculares para dirigir el sistema hacia el resultado deseado: un avance sorprendente en la tecnología de control cuántico».

Mientras tanto, el equipo de Columbia está entusiasmado por tener una explicación teórica de las interacciones entre moléculas que haya sido confirmada experimentalmente. «Tenemos una idea realmente clara de las interacciones en este sistema, lo cual es fundamental para los próximos pasos, como explorar la física dipolar de muchos cuerpos», dijo Karman. «Hemos ideado esquemas para controlar las interacciones, los hemos probado en teoría y los hemos implementado en experimentos. Fue una experiencia realmente asombrosa ver estas ideas para la ‘protección de microondas’ implementadas en el laboratorio».

Hay docenas de predicciones teóricas que ahora se pueden probar experimentalmente con BEC moleculares, que según el coautor y estudiante de doctorado Siwei Zhang son muy 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 explorar cuestiones abiertas en la física cuántica», afirmó.

Una idea es crear cristales artificiales con BEC dentro de una bolsa óptica hecha de láseres. Will señaló que esto permitiría poderosas simulaciones cuánticas que imitan las interacciones en cristales naturales, un área de enfoque de la física de la materia condensada. Los simuladores cuánticos suelen estar hechos de 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.

Hay grandeza en ello, dijo el coautor y estudiante de doctorado Weijun Yuan. «Queremos utilizar BEC en un sistema 2D. Cuando se pasa de tres dimensiones a dos, 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 estudiar fenómenos cuánticos, incluida la superconductividad, la superfluidez y más.

«Parece que se está abriendo un mundo completamente nuevo de posibilidades», dijo Will.

Fuente: «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. Awa.
DOI: 10.1038/s41586-024-07492-z

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