Cuando un gas altamente diluido se enfría a temperaturas extremadamente bajas, se revelan propiedades extrañas. Por lo tanto, algunos gases forman el llamado condensado de Bose-Einstein, un tipo de materia en la que todos los átomos se mueven al unísono. Otro ejemplo es la supersolidez:un estado en el que la materia se comporta como un fluido sin fricción con una estructura periódica. Los físicos esperan encontrar formas particularmente diversas y reveladoras de materia cuántica al enfriar gases que consisten en moléculas polares. Se caracterizan por una distribución desigual de la carga eléctrica. A diferencia de los átomos libres, pueden rotar, vibrar y atraerse o repelerse entre sí. Sin embargo, es difícil enfriar los gases moleculares a temperaturas ultrabajas. Un equipo de investigadores del Instituto Max Planck de Óptica Cuántica (MPQ) en Garching ha encontrado ahora una forma sencilla y eficaz de superar este obstáculo. Se basa en un campo giratorio de microondas.

Un proceso como en una taza de café

Para sus experimentos, los investigadores utilizaron un gas de moléculas de sodio-potasio (NaK) que fueron confinadas en una trampa óptica por luz láser. Para enfriar el gas, el equipo se basó en un método que ha demostrado ser efectivo durante mucho tiempo para enfriar átomos no unidos:el llamado enfriamiento por evaporación. “Este método funciona de manera similar al proceso familiar, que hace que una taza de café caliente se enfríe”, dice el Dr. Xin-Yu Luo, jefe del Laboratorio de Moléculas Polares Ultrafrías en la División de Sistemas Cuánticos de Muchos Cuerpos en el MPQ. :En el café, las moléculas de agua chocan constantemente y, por lo tanto, intercambian partes de su energía cinética. Si dos moléculas particularmente energéticas chocan, una de ellas puede volverse lo suficientemente rápida como para escapar del café:sale vapor de la taza. La otra molécula se queda con menos energía. Así es como el café se enfría gradualmente. De la misma manera, un gas se puede enfriar hasta unos pocos nanokelvin:milmillonésimas de grado por encima del cero absoluto a menos 273,15 grados centígrados.

Sin embargo:"Si el gas consiste en moléculas, estas deben estabilizarse adicionalmente a temperaturas muy bajas", dice Luo. La razón radica en la estructura mucho más compleja de las moléculas en comparación con los átomos no unidos. Por lo tanto, controlar sus movimientos durante las colisiones es difícil. Las moléculas pueden permanecer juntas durante las colisiones. Además, "las moléculas polares se comportan como imanes diminutos que pueden unirse entre sí, en cuyo caso se pierden para el experimento", explica el Dr. Andreas Schindewolf, quien realiza investigaciones en el equipo de Xin-Yu Luo. Estas dificultades han demostrado ser un gran obstáculo para la investigación en los últimos años.

Los microondas mantienen las moléculas separadas

Para superar este obstáculo, los investigadores de Garching se basaron en un truco:la aplicación adicional de un campo electromagnético especialmente preparado que sirve como escudo energético para las moléculas, evitando que se peguen entre sí. "Creamos este escudo de energía utilizando un fuerte campo de microondas giratorio", explica Andreas Schindewolf. "El campo hace que las moléculas giren a una frecuencia más alta". Si dos moléculas se acercan demasiado, pueden intercambiar energía cinética, pero al mismo tiempo se alinean de tal manera que se repelen y se separan rápidamente.

Para crear un campo de microondas con las propiedades requeridas, los investigadores colocaron una antena helicoidal debajo de la trampa óptica que contenía el gas de las moléculas de sodio y potasio. "La velocidad a la que las moléculas se entrelazaron se redujo en más de un orden de magnitud", informa Xin-Yu Luo. Además, bajo la influencia del campo, se desarrolló una fuerte interacción eléctrica de largo alcance entre las moléculas. "Como resultado, chocaron con mucha más frecuencia que sin el campo giratorio de microondas, en promedio unas 500 veces por molécula", dice el físico. "Eso fue suficiente para enfriar el gas cerca del cero absoluto a través de la evaporación".

Un nuevo récord de baja temperatura

Después de solo un tercio de segundo, la temperatura alcanzó alrededor de 21 nanokelvin, muy por debajo de la crítica "temperatura de Fermi". Marca el límite, por debajo del cual los efectos cuánticos dominan el comportamiento de un gas y comienzan a surgir fenómenos extraños. "La temperatura que hemos alcanzado es la más baja hasta ahora en un gas de moléculas polares", dice Luo con placer. Y el investigador de Max Planck cree que pueden alcanzar temperaturas incluso mucho más bajas a través de refinamientos técnicos en la configuración experimental.

Los resultados podrían tener consecuencias de gran alcance para la investigación de los efectos cuánticos y la materia cuántica. "Dado que la nueva técnica de enfriamiento es tan simple que también se puede integrar en la mayoría de las configuraciones experimentales con moléculas polares ultrafrías, el método pronto encontrará una aplicación generalizada y contribuirá a bastantes nuevos hallazgos", dice el Prof. Dr. Immanuel Bloch, Director de la División MPQ Quantum Many-Body Systems. "El enfriamiento asistido por microondas no solo abre una serie de nuevas investigaciones sobre estados peculiares de la materia, como los superfluidos y los supersólidos", dice Bloch. "Además, podría ser útil en tecnologías cuánticas". Por ejemplo, en las computadoras cuánticas, donde las moléculas ultrafrías podrían almacenar los datos. "Estos son tiempos realmente emocionantes para los investigadores que trabajan en moléculas polares ultrafrías", dice Xin-Yu Luo. + Explora más

Crear moléculas poliatómicas ultrafrías atrapándolas y enfriándolas en tres dimensiones