Las propiedades cuánticas subyacentes a la formación de cristales se pueden replicar e investigar con la ayuda de átomos ultrafríos. Un equipo dirigido por el Dr. Axel U. J. Lode del Instituto de Física de la Universidad de Friburgo ahora ha descrito en la revista Cartas de revisión física cómo el uso de átomos dipolares permite incluso la realización y medición precisa de estructuras que aún no se han observado en ningún material. El estudio teórico fue una colaboración que involucró a científicos de la Universidad de Friburgo, la Universidad de Viena y la Universidad Técnica de Viena en Austria, y el Instituto Indio de Tecnología en Kanpur, India.

Los cristales son de naturaleza omnipresente. Están formados por muchos materiales diferentes, desde sales minerales hasta metales pesados ​​como el bismuto. Sus estructuras emergen porque un orden regular particular de átomos o moléculas es favorable, porque requiere la menor cantidad de energía. Un cubo con un componente en cada una de sus ocho esquinas, por ejemplo, es una estructura cristalina muy común en la naturaleza. La estructura de un cristal determina muchas de sus propiedades físicas, como qué tan bien conduce una corriente o calor o cómo se agrieta y se comporta cuando está iluminado por la luz. Pero, ¿qué determina estas estructuras cristalinas? Surgen como consecuencia de las propiedades cuánticas y las interacciones entre sus constituyentes, cuales, sin embargo, a menudo son científicamente difíciles de entender y también de medir.

Sin embargo, para llegar al fondo de las propiedades cuánticas de la formación de estructuras cristalinas, Los científicos pueden simular el proceso utilizando condensados ​​de Bose-Einstein:átomos ultrafríos atrapados que se enfrían a temperaturas cercanas al cero absoluto o menos 273,15 grados Celsius. Los átomos de estos sistemas altamente artificiales y frágiles están extremadamente bien bajo control.

Con una cuidadosa puesta a punto, los átomos ultrafríos se comportan exactamente como si fueran los componentes que forman un cristal. Aunque construir y ejecutar un simulador cuántico de este tipo es una tarea más exigente que simplemente cultivar un cristal a partir de cierto material, el método ofrece dos ventajas principales:Primero, los científicos pueden ajustar las propiedades del simulador cuántico casi a voluntad, lo que no es posible para los cristales convencionales. Segundo, la lectura estándar de los simuladores cuánticos de átomos fríos son imágenes que contienen información sobre todas las partículas de cristal. Para un cristal convencional, por el contrario, solo el exterior es visible, mientras que el interior, y en particular sus propiedades cuánticas, es difícil de observar.

Los investigadores de Friburgo, Viena, y Kanpur describen en su estudio que un simulador cuántico para la formación de cristales es mucho más flexible cuando se construye utilizando partículas cuánticas dipolares ultrafrías. Las partículas cuánticas dipolares permiten realizar e investigar no solo estructuras cristalinas convencionales, pero también arreglos que hasta ahora no se veían para ningún material. El estudio explica cómo estos órdenes de cristal surgen de una competencia intrigante entre cinética, potencial, y energía de interacción y cómo las estructuras y propiedades de los cristales resultantes pueden medirse con un detalle sin precedentes.