Artículos de última hora

Físicos crean el gas cuántico más frío de moléculas polares


Los físicos de JILA, un conjunto entre el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología y la Universidad de Colorado Boulder, han producido un gas de moléculas de potasio-rubidio a temperaturas tan bajas como los 50 nanokelvin (nK); eso es 50 mil millonésimas partes de un Kelvin, o simplemente un poco por encima del cero absoluto.

Los dos átomos involucrados están en diferentes clases: el potasio es un fermión, con un número impar de componentes subatómicos llamados protones y neutrones, y el rubidio es un bosón, con un número par de componentes subatómicos.

Datos iniciales
En un gas cuántico, todas las propiedades de las moléculas están restringidas a valores específicos, o cuantificados, como peldaños en una escalera o notas en una escala musical.

El enfriamiento del gas a las temperaturas más bajas proporciona a los físicos el máximo control sobre las moléculas.

“Las técnicas básicas para hacer el gas son las mismas que hemos usado antes, pero tenemos algunos trucos nuevos como mejorar significativamente el enfriamiento de los átomos, creando más de ellos en el estado de menor energía. Esto se traduce en una mayor eficiencia de conversión, por lo que obtenemos más moléculas", dijo el Dr. Jun Ye, miembro de NIST / JILA.

Anteriormente, las moléculas más frías de dos átomos se producían en un número máximo de decenas de miles y a temperaturas no inferiores a unos pocos cientos de nK.

El experimento
El Dr. Ye y sus colegas produjeron 100,000 moléculas a 250 nK y hasta 25,000 moléculas a 50 nK.

"Este registro de temperatura del gas es mucho más bajo que el nivel en el que los efectos cuánticos comienzan a imponerse sobre los efectos clásicos, y las moléculas duran unos segundos", dijo el Dr. Ye.

El nuevo gas es el primero en enfriarse y lo suficientemente denso como para que las ondas de materia de estas moléculas sean más largas que las distancias entre ellas, haciendo que se superpongan entre sí para crear una nueva entidad. Los físicos llaman a esto degeneración cuántica.

La degeneración cuántica también presenta un aumento en la repulsión entre las partículas fermiónicas, que tienden a ser solitarias, dando como resultado menos reacciones químicas y un gas más estable.

"Este es el primer experimento en el que los científicos han observado efectos cuánticos colectivos que afectan directamente la química de las moléculas individuales", dijo el Dr. Ye.

"Y este es también el primer gas en degeneración cuántica de moléculas estables en masa, y las reacciones químicas se suprimen, un resultado que nadie había predicho".

Las moléculas creadas en este experimento se llaman moléculas polares porque tienen una carga eléctrica positiva en el átomo de rubidio y una carga negativa en el átomo de potasio. Sus interacciones varían según la dirección y pueden controlarse con campos eléctricos.

Las moléculas polares por lo tanto ofrecen interacciones más fáciles de ajustar y más "mandos" de control, en comparación con las partículas neutras.

Conclusiones
Estas nuevas temperaturas ultrabajas permitirán a los científicos comparar las reacciones químicas en entornos cuánticos y clásicos y estudiar cómo los campos eléctricos afectan las interacciones polares.

Los beneficios prácticos finales podrían incluir nuevos procesos químicos, nuevos métodos para la computación cuántica utilizando moléculas cargadas como bits cuánticos, y nuevas herramientas de medición de precisión, como los relojes moleculares.

Crédito de la imagen: Steven Burrows / JILA.

Referencia del documento científico:
Luigi De Marco y otros autores y afiliaciones. 2019. Un gas fermi degenerado de moléculas polares. Science, Vol. 363, Número 6429, págs. 853-856; DOI: 10.1126 / science.aau7230

No hay comentarios.