Aparece en Colombia un estado cuántico único de la materia

físicos en Universidad de Colombia Han llevado las moléculas a un nuevo extremo ultrafrío y han creado un estado de la materia donde la mecánica cuántica reina de forma suprema.

Hay un BEC nuevo y emocionante en la ciudad que no tiene nada que ver con tocino, huevos y queso. No lo encontrará en sus grandes almacenes locales, sino en el lugar más frío de Nueva York: el laboratorio del físico Sebastian Weyl de la Universidad de Columbia, cuyo grupo experimental se especializa en llevar átomos y moléculas a temperaturas apenas fracciones de grado más altas. Cero absoluto.

Escribir en naturalezael Weyl Lab, con el apoyo del colaborador teórico Tijs Karman de la Universidad de Radboud en los Países Bajos, ha logrado 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 se enfría a sólo cinco nanokelvins, o alrededor de -459,66 grados Fahrenheit, es estable durante dos segundos notablemente largos y está hecho de moléculas de sodio y cesio. Al igual que las moléculas de agua, estas moléculas son polares, lo que significa que tienen tanto una carga positiva como una carga negativa. Weil señaló que la distribución desequilibrada de la carga eléctrica facilita las interacciones de largo alcance que conforman la física más interesante.

La investigación que Weill Lab espera realizar con Bose-Einstein Molecular implica explorar una serie de fenómenos cuánticos diferentes, incluidos nuevos tipos de superfluidez, un estado de la materia que fluye sin experimentar ninguna fricción. También esperan convertir sus Bose-Einstein en simuladores que puedan recrear las enigmáticas propiedades cuánticas de materiales más complejos, como los cristales sólidos.

Con la ayuda de 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 de la imagen: Well Lab, Universidad de Columbia/Miles Marshall

«Los condensados ​​moleculares de Bose-Einstein abren áreas de investigación completamente nuevas, desde la verdadera comprensión de la física fundamental hasta el desarrollo de poderosas simulaciones cuánticas», dijo. «Este es un logro emocionante, pero en realidad es sólo el comienzo».

Es un sueño hecho realidad para Weill Lab, y una década en desarrollo 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 conjunto de partículas enfriadas hasta casi detenerse se fusionarían en un átomo único y más grande con propiedades y comportamientos comunes dictados por las leyes de la mecánica cuántica. Si se pudieran crear BEC, proporcionarían a los investigadores una plataforma atractiva para explorar la mecánica cuántica a una escala más accesible que los átomos o moléculas individuales.

Pasaron unos 70 años desde aquellas primeras predicciones teóricas, pero los primeros BEC atómicos se crearon en 1995. Este logro fue reconocido con el Premio Nobel de Física en 2001, más o menos cuando Weyl comenzó a estudiar física en la Universidad de Mainz. En Alemania. Actualmente, los laboratorios fabrican de forma rutinaria átomos de Bose-Einstein 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; el estudiante de doctorado Weijun Yuan; el estudiante universitario Boris Bulatovich; el estudiante de doctorado Siwei Zhang; y el investigador principal Sebastian Weil. No aparece: Tejce Kerman. Crédito: Universidad de Columbia

Pero los átomos, en el gran esquema de las cosas, son relativamente simples. Son objetos redondos y normalmente no contienen interacciones que puedan surgir por polaridad. Desde que se lograron los primeros BEC atómicos, los científicos han querido crear versiones más complejas hechas de moléculas. Pero incluso las moléculas diatómicas simples formadas por dos átomos de diferentes elementos unidos entre sí han 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 Yi, físicos del Instituto Gila en Boulder, Colorado, enfriaron un gas de moléculas de potasio y rubidio a unos 350 nanokelvin. Estas moléculas ultrafrías han demostrado ser útiles para realizar simulaciones cuánticas, estudiar colisiones moleculares y química cuántica en los últimos años, pero para cruzar el umbral BEC se necesitaban temperaturas más bajas.

En 2023 creó Will’s Lab. El primer gas extremadamente frío de la molécula que eligieron, sodio y cesio, utilizando una combinación de enfriamiento por láser y manipulación magnética, similar al enfoque de Jin Wei. Para hacerlo más fresco, trajeron microondas.

Innovaciones con el microondas

Las microondas son una forma de radiación electromagnética y tienen una larga historia en Colombia. En la década de 1930, el físico Isidore Isaac Rabi, que más tarde ganó el Premio Nobel de Física, realizó un trabajo pionero en microondas que condujo al desarrollo de sistemas de radar aerotransportados. «Rabe fue uno de los primeros en dominar los estados cuánticos de las moléculas y fue un pionero en la investigación de microondas», dijo Weil. «Nuestro negocio sigue esta tradición de 90 años».

Aunque quizás estés familiarizado con el papel de las microondas a la hora de calentar los alimentos, resulta que también pueden facilitar el proceso de enfriamiento. Las moléculas individuales tienden a chocar entre sí y, como resultado, forman complejos más grandes que desaparecen de las muestras. Las microondas pueden crear pequeños escudos alrededor de cada molécula, evitando que colisionen, una idea propuesta por Karman, su colega en los Países Bajos. Con las moléculas protegidas de colisiones perdidas, sólo las moléculas más calientes pueden eliminarse preferentemente de la muestra, que es el mismo principio físico que enfría tu taza de café cuando soplas sobre ella, explica el autor Niccolò Bigagli. Las moléculas restantes estarán más frías y la temperatura general de la muestra disminuirá.

El equipo estuvo cerca de crear un BEC molecular el otoño pasado en un trabajo publicado en Física de la naturaleza Que introdujo el método de protección contra microondas. Pero era necesario otro desarrollo experimental. Cuando agregaron un segundo campo de microondas, el enfriamiento se volvió más eficiente y el cesio sodio finalmente cruzó el umbral BEC, un objetivo que el laboratorio de Weill ha logrado desde su apertura en Columbia en 2018.

«Este fue un gran final para mí», dijo Bigagli, quien se doctoró en física esta primavera y fue miembro fundador del laboratorio. “Pasamos de no tener todavía un laboratorio a estos resultados sorprendentes”.

Además de reducir las colisiones, el segundo campo de microondas también puede controlar la orientación de las moléculas. Esto, a su vez, es 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 e investigador postdoctoral en la Universidad de Columbia.

Se abre un nuevo mundo de la física cuántica

Yi, un pionero de la ciencia ultrafría con sede en Boulder, considera los resultados una hermosa pieza de ciencia. «El trabajo tendrá implicaciones importantes para una serie de campos científicos, incluido el estudio de la química cuántica y la exploración de materiales cuánticos fuertemente acoplados», comentó. «El experimento de Weill presenta un control preciso de las interacciones moleculares para guiar el sistema hacia el resultado deseado, un logro notable en la tecnología de control cuántico».

Mientras tanto, el equipo de Columbia está entusiasmado de tener una descripción teórica de las interacciones intermoleculares validada experimentalmente. «Ya tenemos una buena idea de las interacciones en este sistema, lo que también es crucial para los próximos pasos, como la exploración de la física de los cuerpos multipolares», dijo Kerman. «Se nos ocurrieron esquemas para controlar las reacciones, los probamos teóricamente y los implementamos en experimentos. Fue una experiencia realmente genial ver estas ideas de ‘protección’ de microondas realizadas en el laboratorio».

Hay docenas de predicciones teóricas que ahora se pueden probar experimentalmente utilizando BEC moleculares, que según el coprimer autor y estudiante de doctorado Siwei Zhang son bastante estables. La mayoría de los experimentos ultrafríos se realizan en un segundo, algunos duran tan solo unos pocos milisegundos, pero las reacciones moleculares BEC en el laboratorio duran más de dos segundos. «Esto nos permitirá investigar cuestiones abiertas en la física cuántica», afirmó.

Una idea es crear cristales artificiales de Bose-Einstein atrapados en una red óptica hecha de láseres. Esto permitiría poderosas simulaciones cuánticas que imitan las interacciones en cristales naturales, señaló Weil, y es un área de enfoque en la física de la materia condensada. Los simuladores cuánticos se fabrican habitualmente utilizando átomos, pero los átomos tienen interacciones de corto alcance (donde prácticamente deben estar uno encima del otro), lo que limita el grado en que pueden modelar materiales más complejos. «El BEC molecular brindará más sabor», dijo Weil.

Esto incluye dimensiones, dijo el coprimer autor y estudiante de doctorado Weijun Yuan. “Nos gustaría utilizar BEC en un sistema 2D. Cuando se pasa del 3D al 2D, siempre se puede esperar que surjan nuevas físicas. Los materiales 2D son un área importante de investigación en la Universidad de Columbia; Los BEC podrían ayudar a Weil y sus colegas en la materia de exploración intensiva de fenómenos cuánticos, incluida la superconductividad, la superfluidez y más.

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

Referencia: “Observación de los condensados ​​de partículas dipolares de Bose-Einstein” por Niccolò Bigagli, Weijun Yuan, Siwei Zhang, Boris Bulatovic, Tess Carman, Ian Stevenson y Sebastian Weyl, 3 de junio de 2024, naturaleza.
doi: 10.1038/s41586-024-07492-z