19 de febrero de 2025
Moléculas ultrafrías: un experimento en el límite de la física reveló resultados inesperados
En condiciones extremas de frío, los científicos del Instituto Weizmann lograron observar cómo un átomo y un ion interactúan de manera inusual, formando una molécula con una distancia inusitada entre sus componentes
>* Este contenido fue producido por expertos del Instituto Weizmann de Ciencias, uno de los centros más importantes del mundo de investigación básica multidisciplinaria en el campo de las ciencias naturales y exactas, situado en la ciudad de Rehovot, Israel.
“Descubrimos por primera vez esta sorprendente interacción entre un átomo y un ion en simulaciones por computadora, pero solo nos convencimos de que era real después de observarla en experimentos reales”, dice el estudiante de doctorado Meirav Pinkas, quien dirigió este proyecto de investigación en el laboratorio del profesor Roee Ozeri en el Departamento de Física de Sistemas Complejos de Weizmann.
El experimento diseñado por Pinkas y su equipo se llevó a cabo en condiciones de frío extremo: a temperaturas inferiores a un milikelvin, o una milésima de grado por encima del cero absoluto. Estas condiciones se crearon mediante enfriamiento por láser: por contradictorio que parezca, el láser enfría los átomos, o iones, golpeándolos hasta que quedan casi congelados en su sitio. Una vez enfriado el conjunto, un único ion del metal estroncio, atrapado por medio de un campo eléctrico, queda expuesto a un flujo de alrededor de medio millón de átomos de rubidio. Cuando el ion de estroncio choca con uno de los átomos de rubidio, los científicos pueden detectar el resultado de la colisión mediante un segundo láser.
En general, cuanto más frío esté el sistema, mayor será la posibilidad de observar fenómenos cuánticos, que se caracterizan por niveles de energía discretos, que se pierden en el movimiento de partículas más caótico que se produce con el calentamiento. El umbral cuántico del sistema utilizado en el presente experimento suele estar en alrededor de una décima de millonésima de grado por encima del cero absoluto.Pero el nuevo descubrimiento se hizo antes de que se alcanzara ese estado ultrafrío, por lo que el experimento todavía era relativamente “caliente”: la temperatura se situó primero en una millonésima de grado por encima del cero absoluto, y luego subió a una milésima de grado, impulsada hacia arriba por el uso de la trampa de iones. Esto era demasiado cálido para las observaciones de la física cuántica, pero fue la física clásica la que proporcionó la sorpresa; de hecho, la peculiar danza del par ion-átomo observada en el experimento podía explicarse completamente mediante ecuaciones newtonianas.“Estábamos buscando efectos cuánticos y encontramos un efecto de la física clásica que no esperábamos”, dice Pinkas.“Esto no debería haber sucedido, porque dos átomos que forman una molécula pierden energía en el proceso, y en nuestro sistema esa energía aparentemente no tenía adónde ir”, explica Pinkas. “Pero encontramos una explicación. La energía sobrante es absorbida por la trampa de iones, que por un breve tiempo evita que el átomo y el ion se separen después de una colisión. En la analogía del billar, es como si los lados de la mesa de billar se curvaran hacia arriba para parecerse a un cuenco, impidiendo temporalmente que las dos bolas que chocan salgan volando”.
El equipo, en el que también participaron el Dr. Or Katz, Jonathan Wengrowicz y Nitzan Akerman, siguió aplicando herramientas cuánticas para explorar la molécula de estroncio-rubidio que habían creado. Por ejemplo, al cambiar la fuerza del campo magnético en la trampa de iones, podían alterar el giro de las partículas y preguntarse cómo afectaría esto a la formación de la molécula. El objetivo final es comprender no solo cómo se forma la molécula, sino también cómo se puede descomponer. “Queremos aprender a obtener un control preciso sobre el efecto que descubrimos”, dice Pinkas.Ozeri añade: “Son direcciones potenciales que podemos prever hoy, pero la belleza de todos los nuevos descubrimientos es que podrían llevarnos a territorio completamente desconocido de maneras que en el presente ni siquiera podemos imaginar”.
Números científicos: Las moléculas de iones-átomos creadas en el experimento existieron, en promedio, durante 1 microsegundo (una millonésima de segundo).
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