Una nueva investigación realizada por físicos de la Universidad de Chicago resuelve un antiguo desacuerdo sobre la formación de partículas cuánticas exóticas conocidas como moléculas de Efimov.

Los resultados, publicado el mes pasado en Física de la naturaleza , abordar las diferencias entre cómo los teóricos dicen que las moléculas de Efimov deberían formarse y la forma en que los investigadores dicen que se formaron en los experimentos. El estudio encontró que la imagen simple que los científicos formularon basándose en casi 10 años de experimentación estaba equivocada, un resultado que tiene implicaciones para comprender cómo se formaron las primeras moléculas complejas en el universo temprano y cómo surgieron los materiales complejos.

Las moléculas de Efimov son objetos cuánticos formados por tres partículas que se unen cuando dos partículas no pueden hacerlo. Las mismas tres partículas pueden formar moléculas en un rango infinito de tamaños, dependiendo de la fuerza de las interacciones entre ellos.

Los experimentos habían demostrado que el tamaño de una molécula de Efimov era aproximadamente proporcional al tamaño de los átomos que la componen, una propiedad que los físicos llaman universalidad.

"Esta hipótesis se ha comprobado y vuelto a comprobar varias veces en los últimos 10 años, y casi todos los experimentos sugirieron que este es el caso, "dijo Cheng Chin, profesor de física en UChicago, quien dirige el laboratorio donde se realizaron los nuevos hallazgos. "Pero algunos teóricos dicen que el mundo real es más complicado que esta simple fórmula. Debería haber algunos otros factores que romperán esta universalidad".

Los nuevos hallazgos se encuentran en algún lugar entre los hallazgos experimentales previos y las predicciones de los teóricos. Se contradicen a ambos y eliminan la idea de universalidad.

"Tengo que decir que estoy sorprendido, ", Dijo Chin." Este fue un experimento en el que no anticipé el resultado antes de obtener los datos ".

Los datos provienen de experimentos extremadamente sensibles realizados con átomos de cesio y litio utilizando técnicas diseñadas por Jacob Johansen, anteriormente un estudiante de posgrado en el laboratorio de Chin que ahora es un becario postdoctoral en la Universidad Northwestern. Krutik Patel, estudiante de posgrado en UChicago, y Brian DeSalvo, investigador postdoctoral en UChicago, también contribuyó al trabajo.

"Queríamos poder decir de una vez por todas que si no veíamos ninguna dependencia de estas otras propiedades, entonces hay algo realmente mal en la teoría, "Dijo Johansen." Si viéramos dependencia, entonces estamos viendo el colapso de esta universalidad. Siempre se siente bien como científico, para resolver este tipo de cuestiones ".

Desarrollando nuevas técnicas

Las moléculas de Efimov se mantienen unidas por fuerzas cuánticas en lugar de por los enlaces químicos que unen moléculas familiares como el H2O. Los átomos están conectados tan débilmente que las moléculas no pueden existir en condiciones normales. Calor en una habitación que proporciona suficiente energía para romper sus lazos.

Los experimentos con la molécula de Efimov se realizaron a temperaturas extremadamente bajas (50 mil millonésimas de grado por encima del cero absoluto) y bajo la influencia de un fuerte campo magnético. que se utiliza para controlar la interacción de los átomos. Cuando la intensidad del campo es particular, rango estrecho, la interacción entre átomos se intensifica y se forman moléculas. Analizando las condiciones precisas en las que se produce la formación, los científicos pueden inferir el tamaño de las moléculas.

Pero controlar el campo magnético con la suficiente precisión para realizar las mediciones que buscaba Johansen es extremadamente difícil. Incluso el calor generado por la corriente eléctrica utilizada para crear el campo fue suficiente para cambiar ese campo, lo que dificulta la reproducción en experimentos. El campo podía fluctuar a un nivel de solo una parte en un millón, mil veces más débil que el campo magnético de la Tierra, y Johansen tuvo que estabilizarlo y monitorear cómo cambiaba con el tiempo.

La clave fue una técnica que desarrolló para sondear el campo utilizando electrónica de microondas y los propios átomos.

"Considero lo que Jacob hizo un tour de force, ", Dijo Chin." Puede controlar el campo con una precisión tan alta y realizar mediciones muy precisas sobre el tamaño de estas moléculas de Efimov y, por primera vez, los datos confirman realmente que hay una desviación significativa de la universalidad ".

Los nuevos hallazgos tienen importantes implicaciones para comprender el desarrollo de la complejidad en los materiales. Los materiales normales tienen diversas propiedades, que no podrían haber surgido si su comportamiento a nivel cuántico fuera idéntico. El sistema Efimov de tres cuerpos coloca a los científicos justo en el punto en el que desaparece el comportamiento universal.

"Cualquier sistema cuántico hecho con tres o más partículas es muy, problema muy dificil, "Dijo Chin." Sólo recientemente tenemos la capacidad de probar la teoría y comprender la naturaleza de tales moléculas. Estamos avanzando hacia la comprensión de estos pequeños grupos cuánticos. Este será un componente básico para comprender material más complejo ".