Los investigadores de JILA han desarrollado herramientas para "encender" gases cuánticos de moléculas ultrafrías, obtener el control de las interacciones moleculares de larga distancia para aplicaciones potenciales como la codificación de datos para la computación cuántica y las simulaciones.

El nuevo esquema para empujar un gas molecular hasta su estado de energía más bajo, llamada degeneración cuántica, mientras que la supresión de reacciones químicas que rompen moléculas finalmente permite explorar estados cuánticos exóticos en los que todas las moléculas interactúan entre sí.

La investigación se describe en la edición del 10 de diciembre de Naturaleza . JILA es un instituto conjunto del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) y la Universidad de Colorado Boulder.

"Las moléculas siempre se celebran por sus interacciones de largo alcance, que puede dar lugar a una física cuántica exótica y un control novedoso en la ciencia de la información cuántica, "Jun Ye, miembro de NIST / JILA, dijo". hasta ahora, nadie había descubierto cómo activar estas interacciones de largo alcance en un gas a granel ".

"Ahora, todo esto ha cambiado. Nuestro trabajo mostró por primera vez que podemos encender un campo eléctrico para manipular interacciones moleculares, hacer que se enfríen más, y empezar a explorar la física colectiva donde todas las moléculas están acopladas entre sí ".

El nuevo trabajo sigue los muchos logros anteriores de Ye con gases cuánticos ultrafríos. Los investigadores han buscado durante mucho tiempo controlar las moléculas ultrafrías de la misma manera que pueden controlar los átomos. Las moléculas ofrecen medios de control adicionales, incluida la polaridad, es decir, cargas eléctricas opuestas, y muchas vibraciones y rotaciones diferentes.

Los experimentos de JILA crearon un gas denso de aproximadamente 20, 000 moléculas de potasio-rubidio atrapadas a una temperatura de 250 nanokelvin por encima del cero absoluto (aproximadamente menos 273 grados Celsius o menos 459 grados Fahrenheit). Crucialmente, estas moléculas son polares, con una carga eléctrica positiva en el átomo de rubidio y una carga negativa en el átomo de potasio. Las diferencias entre estas cargas positivas y negativas, llamados momentos dipolares eléctricos, hacer que las moléculas se comporten como pequeños imanes de brújula sensibles a ciertas fuerzas, en este caso campos eléctricos.

Cuando el gas se enfría casi al cero absoluto, las moléculas dejan de comportarse como partículas y en su lugar se comportan como ondas que se superponen. Las moléculas se mantienen separadas porque son fermiones, una clase de partículas que no pueden estar en el mismo estado cuántico y ubicación al mismo tiempo y, por lo tanto, se repelen entre sí. Pero pueden interactuar a larga distancia a través de sus ondas superpuestas, momentos dipolares eléctricos y otras características.

En el pasado, Los investigadores de JILA crearon gases cuánticos de moléculas manipulando un gas que contiene ambos tipos de átomos con un campo magnético y láseres. Esta vez, los investigadores primero cargaron la mezcla de átomos gaseosos en una pila vertical de delgados, trampas en forma de panqueque formadas a partir de luz láser (llamadas celosías ópticas), confinando firmemente los átomos a lo largo de la dirección vertical. Luego, los investigadores utilizaron campos magnéticos y láseres para unir pares de átomos en moléculas. Los átomos sobrantes se calentaron y eliminaron sintonizando un láser para excitar el movimiento único de cada tipo de átomo.

Luego, con la nube molecular colocada en el centro de un nuevo conjunto de seis electrodos formado por dos placas de vidrio y cuatro varillas de tungsteno, los investigadores generaron un campo eléctrico sintonizable.

El campo eléctrico desencadenó interacciones repulsivas entre las moléculas que estabilizaron el gas, reducir las colisiones inelásticas ("malas") en las que las moléculas experimentan una reacción química y escapan de la trampa. Esta técnica aumentó las tasas de interacciones elásticas ("buenas") más de cien veces al tiempo que suprimía las reacciones químicas.

Este entorno permitió un enfriamiento evaporativo eficiente del gas hasta una temperatura por debajo del inicio de la degeneración cuántica. El proceso de enfriamiento eliminó las moléculas más calientes de la trampa de celosía y permitió que las moléculas restantes se ajustaran a una temperatura más baja a través de las colisiones elásticas. Encender lentamente un campo eléctrico horizontal durante cientos de milisegundos redujo la fuerza de la trampa en una dirección, el tiempo suficiente para que las moléculas calientes escapen y las moléculas restantes se enfríen. Al final de este proceso, las moléculas volvieron a su estado más estable pero ahora en un gas más denso.

El nuevo método JILA se puede aplicar para producir gases ultrafríos a partir de otros tipos de moléculas polares.

Los gases moleculares ultrafríos pueden tener muchos usos prácticos, incluyendo nuevos métodos para la computación cuántica utilizando moléculas polares como bits cuánticos; simulaciones y mejor comprensión de los fenómenos cuánticos como la magnetorresistencia colosal (para un mejor almacenamiento y procesamiento de datos) y superconductividad (para una transmisión de energía eléctrica perfectamente eficiente); y nuevas herramientas de medición de precisión como relojes moleculares o sistemas moleculares que permiten la búsqueda de nuevas teorías de la física.