Los investigadores de JILA han hecho un Un gas frío récord de moléculas que siguen los patrones de ondas de la mecánica cuántica en lugar de la naturaleza estrictamente de partículas de la física clásica ordinaria. La creación de este gas aumenta las probabilidades de avances en campos como la química de diseño y la computación cuántica.

Como aparece en la portada de la edición del 22 de febrero de Ciencias , el equipo produjo un gas de moléculas de potasio-rubidio (KRb) a temperaturas tan bajas como 50 nanokelvin (nK). Eso es 50 mil millonésimas de Kelvin, o solo una pizca por encima del cero absoluto, la temperatura más baja teóricamente posible. Las moléculas están en los estados de energía más bajos posibles, formando lo que se conoce como un gas Fermi degenerado.

En un gas cuántico todas las propiedades de las moléculas están restringidas a valores específicos, o cuantificado, como peldaños de una escalera o notas en una escala musical. Enfriar el gas a las temperaturas más bajas les da a los investigadores el máximo control sobre las moléculas. Los dos átomos involucrados pertenecen a 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). Las moléculas resultantes tienen carácter Fermi.

JILA es operado conjuntamente por el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) y la Universidad de Colorado Boulder. Los investigadores del NIST en JILA han estado trabajando durante años para comprender y controlar las moléculas ultrafrías, que son más complejos que los átomos porque no solo tienen muchos niveles internos de energía, sino que también giran y vibran. El equipo de JILA fabricó su primer gas molecular hace 10 años.

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

El equipo de JILA produjo 100, 000 moléculas a 250 nK y hasta 25, 000 moléculas a 50 nK.

Antes de ahora, las moléculas de dos átomos más frías se produjeron en cantidades máximas de decenas de miles y a temperaturas no inferiores a unos pocos cientos de nanoKelvin. El último récord de temperatura del gas de JILA es mucho más bajo que (aproximadamente un tercio) del nivel en el que los efectos cuánticos comienzan a reemplazar a los efectos clásicos. y las moléculas duran unos segundos:una longevidad notable, Vosotros dijiste.

El nuevo gas es el primero en enfriarse y volverse 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 científicos llaman a esto degeneración cuántica. (La materia cuántica puede comportarse como partículas u ondas de materia, es decir, patrones de forma de onda de la probabilidad de la ubicación de una partícula).

La degeneración cuántica también significa un aumento en la repulsión entre las partículas fermiónicas, que tienden a ser solitarios de todos modos, resultando en 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 moléculas individuales. Vosotros dijiste.

"Este es el primer gas cuántico degenerado de moléculas estables a granel, y las reacciones químicas se suprimen, un resultado que nadie había predicho, "Vosotros dijiste.

Las moléculas creadas en este experimento se denominan 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 se pueden controlar con campos eléctricos. Las moléculas polares ofrecen, por tanto, más sintonizables, interacciones más fuertes y "botones" de control adicionales en comparación con las partículas neutras.

Estas nuevas temperaturas ultrabajas permitirán a los investigadores comparar reacciones químicas en entornos cuánticos frente a entornos clásicos y estudiar cómo los campos eléctricos afectan las interacciones polares. Los posibles beneficios prácticos 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 relojes moleculares.

El proceso para fabricar las moléculas comienza con una mezcla gaseosa de átomos de potasio y rubidio muy fríos confinados por un rayo láser. Al barrer un campo magnético sintonizado con precisión a través de los átomos, los científicos crean grandes moléculas débilmente unidas que contienen un átomo de cada tipo. Esta técnica fue iniciada por el colega de Ye, la difunta Deborah Jin, en su demostración de 2003 del primer condensado Fermi del mundo.

Para convertir estas moléculas relativamente esponjosas en moléculas fuertemente unidas sin calentar el gas, Los científicos usan dos láseres que operan a diferentes frecuencias, cada uno resonando con un salto de energía diferente en las moléculas, para convertir la energía de enlace en luz en lugar de calor. Las moléculas absorben la luz láser del infrarrojo cercano y liberan luz roja. En el proceso, El 90 por ciento de las moléculas se convierten a través de un estado de energía intermedio, al nivel de energía más bajo y más estable.