Estado cuántico exótico logrado después de décadas de búsqueda
Los condensados moleculares de Bose-Einstein podrían ayudar a dar respuesta a preguntas fundamentales o formar la base de nuevos ordenadores cuánticos
Datos de distribución de velocidades de un gas de átomos de rubidio antes, durante y después de la aparición de un condensado de Bose-Einstein. El pico se forma cuando todos los átomos ocupan el estado de energía cuántica más bajo posible.
Instituto Nacional de Estándares y Tecnología
Un extraño estado de la materia se volvió aún más extraño y más útil. Los físicos han logrado enfriar tanto las moléculas que cientos de ellas se unen, creando un único estado cuántico gigantesco. Estos sistemas podrían usarse para explorar física exótica, por ejemplo creando Materiales sólidos que pueden fluir sin resistencia.o podría formar la base de un nuevo tipo de computadora cuántica.
Los físicos han creado estados similares, conocidos como condensados de Bose-Einstein, con átomos desde 1995, y Los utilizó para comprender una amplia variedad de fenómenos cuánticos.. Pero también anhelaban producir tales condensados a partir de moléculas estables. Las moléculas interactúan de maneras más complicadas que los átomos, lo que ofrece oportunidades mucho más ricas para la investigación y las tecnologías cuánticas. Pero también son mucho más difíciles de enfriar hasta las milmillonésimas de grado por encima del cero absoluto necesarias para crear un condensado.
“Los físicos llevan más de una década intentando realizar condensados de moléculas de Bose-Einstein”, dice Giacomo Valtolina, físico del Instituto Fritz Haber de Berlín. La investigación, publicada en Naturaleza el 3 de junio, es “el primero en lograr este objetivo”, afirma. “Este artículo es muy emocionante”.
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Comportamiento extraño
Los físicos cuánticos predijeron en la década de 1920 que, cuando se enfriara hasta cerca del cero absoluto, la materia comenzaría a comportarse de maneras extrañas. El principio de incertidumbre de Heisenberg Dice que cuanto más precisamente se conoce el momento de una partícula, más incierta es su posición. Si la materia se enfría tanto que queda casi estacionaria, la incertidumbre en su posición aumenta. Una vez que la incertidumbre es mayor que la distancia entre las partículas, se vuelven indistinguibles y se superponen para ocupar un único estado cuántico de menor energía: un condensado de Bose-Einstein.
Este sistema muestra un comportamiento cuántico colectivo bien controlado y a escala macroscópica, lo que permite a los investigadores utilizarlo como campo de juego para simular fenómenos como tipos exóticos de magnetismo y el Emisión de radiación de Hawking desde un modelo de agujero negro.. Los condensados se han utilizado como sensores cuánticos y relojes atómicos, y Incluso fui al espacio.
Las moléculas son mucho más complicadas que los átomos, dice Sebastian Will, físico de la Universidad de Columbia en la ciudad de Nueva York, quien dirigió el último trabajo. Pueden girar y vibrar de maneras que son imposibles para los átomos, y las moléculas polares (que tienen extremos cargados positiva y negativamente) pueden interactuar en largos rangos a través de fuerzas electromagnéticas. Dado que estas interacciones de largo alcance “definen las propiedades de la materia que nos rodea”, un condensado molecular permitiría a los físicos simular y comprender una gama mucho más amplia de fenómenos, afirma.
Pero hay un problema. “En comparación con los átomos… las moléculas son más difíciles de controlar y enfriar”, dice Zoe Yan, física de la Universidad de Chicago en Illinois.
Las estructuras ligeramente unidas conocidas como moléculas de Feshbach ya se han convertido en condensados. Pero en las moléculas estables, la etapa final de enfriamiento, para convertir las nubes de ellas en un condensado, ha sido frustrada por reacciones químicas entre moléculas en colisión. Estas interacciones calientan las moléculas y hacen que escapen de la nube, dejando muy pocas con las que trabajar.
Will y su equipo encontraron una manera de evitar estas colisiones en una nube de moléculas polares, cada una formada por un átomo de sodio y un átomo de cesio. El equipo aplicó dos tipos diferentes de campos de microondas a la nube, uno para hacer girar las moléculas y otro para hacerlas oscilar. Juntos, estos campos orientaron las moléculas de tal manera que siempre se repelieron entre sí. “Esto resultó ser absolutamente crucial”, dice Will.
Esta repulsión evitó colisiones, lo que permitió al equipo enfriar aún más las moléculas (al expulsar las más calientes) sin perder demasiadas. El resultado fue un condensado de más de 1.000 moléculas, enfriado a 6 milmillonésimas de grado por encima del cero absoluto. El sello distintivo de un condensado de Bose-Einstein “se muestra claramente”, afirma Valtolina.
Los resultados son “fantásticos”, dice Yan. “Realmente inspirarán y estimularán al resto de la comunidad de moléculas frías”.
Fases exóticas
Los condensados moleculares de Bose-Einstein podrían utilizarse de innumerables formas. Una posibilidad, afirma Valtolina, es crear fases supersólidas exóticas, en las que un material rígido fluya sin resistencia. Hasta ahora esto se ha logrado sólo en gases atómicos con interacciones magnéticas; ahora podría hacerse en moléculas polares, cuyas interacciones son “mucho más fuertes”, dice.
Los físicos también podrán probar predicciones sobre cómo se comportará esta extraña materia. Will dice que al ajustar los campos de microondas para permitir cierta interacción entre las moléculas, el equipo espera ver el sistema separarse en gotas cuánticas, una nueva fase de la materia. Al confinar el condensado en dos dimensiones mediante láser, el equipo también espera observar cómo las moléculas se organizan, bajo un microscopio, para formar una especie de cristal. “Eso es algo que nunca ha sido posible”, dice Will.
Las moléculas de condensado también podrían constituir la base de un nuevo tipo de ordenador cuántico, añade Will. Dado que cada molécula se encuentra en un estado conocido e idéntico, podrían separarse para formar bits cuánticos, o qubits, las unidades de información en una computadora cuántica. Los estados de rotación cuánticos de las moléculas, que pueden usarse para almacenar información, pueden permanecer robustos quizás durante minutos seguidos, lo que permite cálculos largos y complejos.
La reacción ante el artículo “ha sido algo que nunca antes había experimentado”, dice Will. “A la gente realmente le encanta el potencial de esto”.
Este artículo se reproduce con permiso y fue publicado por primera vez el 3 de junio de 2024.