Las partículas forman el primer condensado de Bose-Einstein

Un artículo publicado en la revista. naturaleza Analice el reciente logro de los físicos al crear un condensado de Bose-Einstein (BEC) utilizando moléculas por primera vez.

Estancia: Las partículas forman el primer condensado de Bose-Einstein. Crédito de la imagen: ImageFlow/Shutterstock

Extraño comportamiento de la materia

En la década de 1920, los físicos cuánticos predijeron que la materia comenzaría a comportarse de manera extraña cuando se enfriara hasta cerca del cero absoluto. Específicamente, el principio de incertidumbre de Heisenberg establece que la posición de una partícula es incierta cuando se conoce con mayor precisión su momento.

Por lo tanto, cuando el material se enfría hasta el punto en que se vuelve casi estacionario, la incertidumbre en su ubicación aumenta dramáticamente. Las partículas se superponen para ocupar un único estado cuántico de baja energía, el BEC, y se vuelven indistinguibles cuando la incertidumbre es mayor en comparación con la distancia entre las partículas.

Este sistema exhibe un comportamiento cuántico colectivo bien controlado a nivel macroscópico, lo que permite a los investigadores usarlo para simular fenómenos como la emisión de radiación de Hawking desde un agujero negro típico y tipos exóticos de magnetismo. Los condensadores se han utilizado en relojes atómicos y sensores cuánticos.

Se han realizado muchos esfuerzos para crear BEC a partir de moléculas estables donde las moléculas interactúan de una manera más compleja en comparación con los átomos, brindando oportunidades más ricas para las técnicas e investigaciones cuánticas. Sin embargo, enfriar las moléculas a mil millonésimas de grado por encima del cero absoluto para formar condensados ​​y controlarlos es extremadamente difícil en comparación con los átomos.

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Específicamente, las moléculas pueden vibrar y rotar de maneras que no son posibles para los átomos. Las moléculas polares que tienen extremos cargados tanto negativa como positivamente pueden interactuar a través de fuerzas electromagnéticas en un largo rango. Los condensados ​​moleculares podrían permitir a los físicos comprender y simular una gama más amplia de fenómenos, ya que las interacciones de largo alcance pueden determinar las propiedades de la materia que nos rodea.

Aunque las estructuras débilmente unidas/moléculas de Fishbach se han convertido previamente en condensados, convertir nubes de moléculas estables en condensados ​​en la etapa de enfriamiento final es un desafío debido a las interacciones químicas entre las moléculas en colisión. Las interacciones calientan las moléculas, haciendo que escapen de la nube.

Ultimo desarrollo

En un estudio reciente, los físicos lograron enfriar moléculas hasta el punto de que cientos de moléculas se entrelazaron, formando un estado cuántico gigante. Desde 1995, los físicos han creado estados similares, denominados BEC, utilizando átomos, y los han utilizado para comprender diversos fenómenos cuánticos.

Este estudio ideó una nueva forma de prevenir colisiones en una nube molecular polar, cada una de las cuales consta de un átomo de cesio y un átomo de sodio. Los investigadores aplicaron dos tipos de campos de microondas a la nube de partículas polares para hacer que las partículas oscilen y giren. En conjunto, estos campos de microondas orientaron las moléculas polares de una manera que garantizaba que siempre se repelieran entre sí, que es el requisito más importante para convertir nubes de moléculas en condensados.

Es importante destacar que esta repulsión evitó que las moléculas colisionaran y permitió a los investigadores enfriarlas aún más sin perder demasiado al eliminar las moléculas más calientes. Esto provocó la condensación de más de 1.000 moléculas que se enfriaron a 6 milmillonésimas de grado por encima del cero absoluto, el sello distintivo del BEC.

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La importancia de este desarrollo.

Los BEC moleculares podrían servir de base para nuevos tipos de ordenadores cuánticos o proporcionar soluciones a cuestiones fundamentales. Se pueden utilizar para crear fases exóticas de supersolidez, donde un sólido puede fluir sin resistencia.

Aunque hasta ahora esto se ha logrado en gases atómicos con interacciones magnéticas, ahora se puede lograr en moléculas polares. Los físicos pueden probar predicciones sobre el comportamiento de esta materia exótica. Además, el sistema puede separarse en gotas cuánticas, una nueva fase de la materia, ajustando los campos de microondas para permitir interacciones simples entre moléculas.

Los investigadores también esperan observar cómo las moléculas forman una especie de cristal mientras se organizan bajo un microscopio confinando los condensados ​​en dos dimensiones mediante un láser. Esto no se ha logrado antes en ningún estudio. Las moléculas de condensado podrían constituir la base de nuevos ordenadores cuánticos.

Específicamente, las moléculas se pueden separar para formar qubits, que son unidades de información en una computadora cuántica, donde cada molécula permanece en un estado conocido e idéntico. Además, los estados de espín cuántico de las partículas, que pueden usarse para almacenar información, permanecen robustos durante minutos, lo que permite cálculos complejos y largos.

En resumen, el éxito de la conversión de moléculas en BEC estimulará e inspirará a la comunidad de criomoléculas a realizar más investigaciones en este campo.

Referencia de la revista

Gibney, E. (2024). Los físicos transforman moléculas en un estado cuántico exótico, poniendo fin a un esfuerzo de décadas. naturaleza. https://doi.org/10.1038/d41586-024-01662-9, https://www.nature.com/articles/d41586-024-01662-9

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