Los átomos neutros y los iones cargados se pueden enfriar a temperaturas extremadamente bajas (es decir, a microkelvins, 1 millonésima de grado por encima del cero absoluto) utilizando técnicas láser. A estas bajas temperaturas, a menudo se ha descubierto que las partículas se comportan de acuerdo con las leyes de la mecánica cuántica.

Los investigadores han estado realizando experimentos de enfriamiento por láser en átomos e iones durante décadas. Hasta aquí, sin embargo, ningún estudio había observado mezclas de átomos e iones a temperaturas extremadamente bajas.

Los investigadores de la Universidad de Ámsterdam fueron los primeros en lograrlo al colocar un ión dentro de una nube de átomos de litio preenfriados a unas pocas millonésimas de kelvin. Sus observaciones, publicado en Física de la naturaleza , desveló numerosos efectos que podrían tener implicaciones interesantes para el desarrollo de nuevas tecnologías cuánticas.

"Los iones y átomos fríos encuentran aplicaciones en estudios destinados a comprender los fenómenos cuánticos de muchos cuerpos y podrían usarse en relojes atómicos o posiblemente incluso en computadoras cuánticas". "Dr. Rene Gerritsma, uno de los investigadores que realizó el estudio, dijo Phys.org. "Hasta aquí, sin embargo, nadie había hecho jamás una mezcla de átomos e iones a estas temperaturas ultrafrías. El objetivo de nuestro estudio fue lograrlo por primera vez ".

En sus experimentos, Gerritsma y sus colegas comenzaron enfriando un solo ion mediante técnicas de enfriamiento por láser. Por separado, también prepararon una nube de aproximadamente 10, 000 átomos de litio y lo enfriaron a unos pocos microkelvin.

Después, los investigadores superpusieron el ion con la nube de átomos y monitorearon los niveles de energía del ion, utilizando un conjunto de herramientas típicamente empleadas para la investigación de computadoras cuánticas de iones atrapados. Esto finalmente les permitió determinar la energía que surge de la colisión entre el ión y la nube de átomos.

"El principal desafío de nuestro experimento fue mantener el ión atrapado en el gas, "Explicó el Dr. Gerritsma." Para lograr esto, usamos campos eléctricos, pero estos tienen un efecto negativo en las colisiones átomo-ión, causando calentamiento ".

Hace unos pocos años, mientras se realizan experimentos similares, un grupo de investigación del MIT predijo que los efectos de calentamiento derivados del uso de campos eléctricos podrían mitigarse utilizando una especie de ión muy pesado y una especie de átomo ligero. Esta predicción finalmente inspiró a Gerritsma y sus colegas a realizar sus experimentos utilizando un ion de iterbio y una nube de átomos de litio.

"Por primera vez, Hemos observado que un ion en un gas neutro de átomos se enfría a un régimen en el que los efectos cuánticos se vuelven importantes, "El Dr. Gerritsma dijo." El sistema se puede utilizar para estudiar la química cuántica en el nivel de una sola partícula, o la física cuántica de muchos cuerpos de átomos e iones en interacción o tal vez incluso para enfriar el gas amortiguador de la computadora cuántica de iones atrapados ".

Midiendo la energía cinética de los átomos y los iones en todas las direcciones de movimiento, Gerritsma y sus colegas pudieron recopilar una serie de observaciones interesantes. Por ejemplo, Se encontró que la energía de colisión entre el ión de iterbio y los átomos de litio alcanza lo que se conoce como el límite de la onda S, lo que sugiere que la teoría cuántica puede ayudar a comprender mejor la colisión.

El equipo de investigación encontró evidencia que apunta a la ocurrencia de fenómenos cuánticos en colisiones entre el ión y los átomos. Estas nuevas observaciones podrían tener implicaciones para futuras investigaciones, por ejemplo, allanando el camino para investigaciones en profundidad de configuraciones átomo-iónicas de vida corta conocidas como resonancias magneto-moleculares. En sus próximos estudios, Gerritsma y sus colegas planean utilizar un método similar al empleado en su estudio reciente para buscar las llamadas resonancias de Feshbach entre átomos e iones.

"En estas resonancias, el átomo y el ión pueden formar una molécula y pueden usarse para aumentar la fuerza de interacción entre los átomos y los iones, "Dijo el Dr. Gerritsma." Se han observado resonancias de Feshbach entre átomos neutros, y también se ha predicho que existen entre átomos e iones. Sin embargo, nunca se han observado porque las temperaturas ultrafrías requeridas no se habían alcanzado hasta ahora ".

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