Durante años, Los científicos han buscado formas de enfriar moléculas a temperaturas ultra frías, momento en el que las moléculas deberían ralentizarse hasta arrastrarse, permitiendo a los científicos controlar con precisión su comportamiento cuántico. Esto podría permitir a los investigadores utilizar moléculas como bits complejos para la computación cuántica. sintonizando moléculas individuales como pequeñas perillas para realizar múltiples flujos de cálculos a la vez.

Mientras que los científicos tienen átomos súper enfriados, haciendo lo mismo con las moléculas, que son más complejos en su comportamiento y estructura, ha demostrado ser un desafío mucho mayor.

Ahora, los físicos del MIT han encontrado una manera de enfriar moléculas de sodio-litio hasta 200 mil millonésimas de Kelvin, solo un pelo por encima del cero absoluto. Lo hicieron aplicando una técnica llamada enfriamiento por colisión, en el que sumergieron moléculas de sodio-litio frío en una nube de átomos de sodio aún más fríos. Los átomos ultrafríos actuaron como refrigerante para enfriar aún más las moléculas.

El enfriamiento por colisión es una técnica estándar que se utiliza para enfriar átomos utilizando otros átomos más fríos. Y durante más de una década, Los investigadores han intentado sobreenfriar varias moléculas diferentes utilizando enfriamiento por colisión, solo para descubrir que cuando las moléculas chocan con los átomos, intercambiaron energía de tal manera que las moléculas se calentaron o destruyeron en el proceso, llamadas colisiones "malas".

En sus propios experimentos, Los investigadores del MIT encontraron que si las moléculas de sodio-litio y los átomos de sodio se hicieran girar de la misma manera, podrían evitar la autodestrucción, y, en cambio, participa en "buenas" colisiones, donde los átomos se llevaron la energía de las moléculas, en forma de calor. El equipo utilizó un control preciso de los campos magnéticos y un intrincado sistema de láseres para coreografiar el giro y el movimiento de rotación de las moléculas. Como resultado, la mezcla átomo-molécula tenía una alta proporción de colisiones buenas a malas y se enfrió de 2 microkelvins a 220 nanokelvins.

"El enfriamiento por colisión ha sido el caballo de batalla para enfriar átomos, "añade el premio Nobel Wolfgang Ketterle, el profesor de física John D. Arthur en el MIT. "No estaba convencido de que nuestro plan funcionaría, pero como no lo sabíamos con certeza, teníamos que intentarlo. Ahora sabemos que funciona para enfriar las moléculas de sodio y litio. Queda por ver si funcionará para otras clases de moléculas ".

Sus hallazgos, publicado en la revista Naturaleza , marca la primera vez que los investigadores han utilizado con éxito el enfriamiento por colisión para enfriar moléculas a temperaturas nanokelvin.

Los coautores de Ketterle en el artículo son el autor principal Hyungmok Son, estudiante de posgrado en el Departamento de Física de la Universidad de Harvard, junto con la estudiante graduada en física del MIT, Juliana Park, y Alan Jamison, profesor de física en la Universidad de Waterloo y científico invitado en el Laboratorio de Investigación de Electrónica del MIT.

Alcanzando temperaturas ultrabajas

En el pasado, Los científicos descubrieron que cuando intentaban enfriar moléculas a temperaturas ultrafrías rodeándolas con átomos aún más fríos, las partículas chocaron de tal manera que los átomos impartieron energía extra o rotación a las moléculas, enviándolos volando fuera de la trampa, o autodestruirse todos juntos por reacciones químicas. Los investigadores del MIT se preguntaron si las moléculas y los átomos, teniendo el mismo giro, podría evitar este efecto, y como resultado permanecen ultrafríos y estables. Buscaron probar su idea con sodio-litio, una molécula "diatómica" con la que el grupo de Ketterle experimenta con regularidad, que consta de un átomo de litio y un átomo de sodio.

"Las moléculas de sodio y litio son bastante diferentes de otras moléculas que la gente ha probado, "Dice Jamison." Mucha gente esperaba que esas diferencias hicieran que la refrigeración fuera menos probable que funcionara. Sin embargo, teníamos la sensación de que estas diferencias podrían ser una ventaja en lugar de un detrimento ".

Los investigadores ajustaron un sistema de más de 20 rayos láser y varios campos magnéticos para atrapar y enfriar átomos de sodio y litio en una cámara de vacío. hasta aproximadamente 2 microkelvins, una temperatura que Son dice que es óptima para que los átomos se unan como moléculas de sodio y litio.

Una vez que los investigadores pudieron producir suficientes moléculas, Hacían brillar rayos láser de frecuencias y polarizaciones específicas para controlar el estado cuántico de las moléculas y campos de microondas cuidadosamente ajustados para hacer que los átomos giraran de la misma manera que las moléculas. "Luego, enfriamos el refrigerador cada vez más, "dice Hijo, refiriéndose a los átomos de sodio que rodean la nube de moléculas recién formadas. "Reducimos la potencia del láser de captura, haciendo que la trampa óptica sea más y más floja, que reduce la temperatura de los átomos de sodio, y enfría aún más las moléculas, a 200 mil millonésimas de kelvin ".

El grupo observó que las moléculas podían permanecer a estas temperaturas ultrafrías durante hasta un segundo. "En nuestro mundo, un segundo es muy largo, "Dice Ketterle." Lo que quieres hacer con estas moléculas es la computación cuántica y la exploración de nuevos materiales, que todo se puede hacer en pequeñas fracciones de segundo ".

Si el equipo puede lograr que las moléculas de sodio y litio sean cinco veces más frías de lo que han logrado hasta ahora, habrán alcanzado un régimen degenerado cuántico en el que las moléculas individuales se vuelven indistinguibles y su comportamiento colectivo está controlado por la mecánica cuántica. Son y sus colegas tienen algunas ideas sobre cómo lograrlo, lo que implicará meses de trabajo para optimizar su configuración, además de adquirir un nuevo láser para integrarlo en su configuración.

"Nuestro trabajo conducirá a una discusión en nuestra comunidad sobre por qué el enfriamiento por colisión ha funcionado para nosotros pero no para otros, Son dice:"Quizás pronto tengamos predicciones sobre cómo otras moléculas podrían enfriarse de esta manera".