Un equipo de experimentales del Instituto Max Planck de Óptica Cuántica (MPQ) y teóricos de la Academia China de Ciencias (CAS) ha logrado por primera vez poblar y estabilizar un nuevo tipo de molécula, las llamadas moléculas tetraatómicas unidas a campos. . Estas "supermoléculas" son tan frágiles que sólo pueden existir a temperaturas ultrafrías. Se sospechaba de su existencia desde hacía mucho tiempo, pero nunca se había demostrado experimentalmente... hasta ahora.
Las moléculas poliatómicas creadas en este nuevo estudio están compuestas por más de dos átomos y se han enfriado con éxito a 134 nanokelvin, más de 3.000 veces más fría que la temperatura de las moléculas tetraatómicas creadas anteriormente. Este logro no es sólo una hazaña novedosa en la física molecular, sino también un importante paso adelante en el estudio de la materia ultrafría exótica. La investigación se publica en Nature .
Hace unas dos décadas, el físico teórico estadounidense John Bohn y sus colegas predijeron un nuevo tipo de unión entre moléculas polares:si las moléculas llevan una carga distribuida asimétricamente (lo que los físicos llaman polaridad), pueden combinarse en un campo eléctrico para formar "supermoléculas débilmente unidas". ."
El comportamiento de estas moléculas polares puede considerarse como las agujas de una brújula dentro de una capa dura. Cuando se acercan, las agujas de las brújulas experimentan una atracción que es más fuerte que el campo magnético de la Tierra y apuntan entre sí en lugar de alinearse hacia el norte.
Se puede observar un fenómeno similar con las moléculas polares, que, en condiciones específicas, pueden formar un estado unido único mediante fuerzas eléctricas. Su vínculo recuerda un poco a una pareja de baile abrazándose fuertemente mientras al mismo tiempo mantienen constantemente una cierta distancia.
El estado de unión de las supermoléculas es mucho más débil que los enlaces químicos típicos, pero al mismo tiempo también tiene un alcance mucho más largo. Las supermoléculas comparten una longitud de enlace en distancias que son varios cientos de veces más largas que las moléculas unidas normalmente.
Debido a esta naturaleza de largo alcance, estas supermoléculas son muy sensibles:si los parámetros del campo eléctrico se cambian sólo un poco en un valor crítico, las fuerzas entre las moléculas cambian dramáticamente, un fenómeno conocido como "resonancia ligada al campo". " Esto permite a los investigadores variar de manera flexible la forma y el tamaño de las moléculas con un campo de microondas.
Las moléculas poliatómicas ultrafrías contienen una rica estructura interna que ofrece nuevas e interesantes posibilidades en química fría, mediciones de precisión y procesamiento de información cuántica. Sin embargo, su alta complejidad en comparación con las moléculas diatómicas plantea un desafío importante para el empleo de técnicas de enfriamiento convencionales, como el enfriamiento por láser directo y el enfriamiento por evaporación.
Los investigadores del "NaK Lab" (laboratorio de sodio y potasio) del MPQ, dirigidos por el Dr. Xin-Yu Luo, el Dr. Timon Hilker y el Prof. Immanuel Bloch, han logrado una serie de proyectos pioneros y de Naturaleza. -Descubrimientos publicados en los últimos años, que fueron cruciales para superar finalmente este desafío.
Primero, en 2021, los investigadores de este laboratorio inventaron una nueva técnica de enfriamiento para moléculas polares utilizando un campo de microondas giratorio de alta potencia y, de ese modo, establecieron un nuevo récord de baja temperatura:21 milmillonésimas de grado sobre el cero absoluto a -273,15 grados Celsius.
Un año más tarde, los investigadores lograron crear las condiciones necesarias para observar por primera vez la firma de unión entre estas moléculas en experimentos de dispersión. Esto proporcionó la primera evidencia indirecta de la existencia de estas construcciones exóticas teóricamente predichas desde hace mucho tiempo.
Ahora incluso existe evidencia directa de que los investigadores han podido crear y estabilizar estas supermoléculas en su experimento. Las imágenes de estas "supermoléculas" revelaron su simetría de onda p, una característica única que es crucial en la realización de materiales cuánticos topológicos, que a su vez puede ser relevante para la computación cuántica tolerante a fallas.
"Esta investigación tendrá implicaciones inmediatas y de gran alcance", afirma Xing-Yan Chen, Ph.D. Candidato y primer autor del artículo. "Como el método es aplicable a una amplia gama de especies moleculares, permite explorar una variedad mucho mayor de moléculas poliatómicas ultrafrías. En el futuro, podría permitir crear moléculas aún más grandes y de vida más larga que serían específicamente interesantes para la precisión. metrología o química cuántica."
"Llegamos a estos hallazgos gracias también a nuestra estrecha colaboración con el profesor Tao Shi y su equipo del CAS", añade el Dr. Luo, investigador principal del experimento. "Nuestro próximo objetivo es enfriar aún más estas 'supermoléculas' bosónicas para formar un condensado de Bose-Einstein (BEC), donde las moléculas se mueven juntas colectivamente. Esta perspectiva tiene un potencial importante para nuestra comprensión fundamental de la física cuántica. Lo que es más sorprendente es que mediante Simplemente sintonizando un campo de microondas, un BEC de 'supermoléculas' puede transformarse en un nuevo fluido cuántico de moléculas fermiónicas preservando la simetría especial de la onda p."
Más información: Xing-Yan Chen et al, Moléculas tetraatómicas unidas a campos ultrafríos, Naturaleza (2024). DOI:10.1038/s41586-023-06986-6
Información de la revista: Naturaleza
Proporcionado por la Sociedad Max Planck
