Un congelador de microondas nanokelvin para moléculas

Un nuevo método para enfriar los gases de las moléculas polares hasta casi el cero absoluto allana el camino para estudiar los efectos cuánticos de formas exóticas de materia

5. Agosto 2022

Investigadores del Instituto Max Planck de Óptica Cuántica desarrollaron una novedosa técnica de enfriamiento para gases moleculares. Permite enfriar las moléculas polares hasta unos pocos nanokelvin. El truco utilizado por el equipo en Garching para superar este obstáculo se basa en un campo de microondas giratorio. Ayuda a estabilizar las colisiones entre las moléculas durante el enfriamiento por medio de un escudo energético. De esta manera, los investigadores de Max Planck lograron enfriar un gas de moléculas de sodio-potasio a 21 mil millonésimas de grado por encima del cero absoluto. Al hacerlo, establecieron un nuevo récord de baja temperatura. En el futuro, la nueva técnica permitirá crear y explorar muchas formas de materia cuántica que no han sido accesibles experimentalmente hasta ahora.

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 ultra bajas.


Vista cercana dentro de la cámara de vacío principal del experimento de moléculas de NaK. En el medio, cuatro cables de cobre de alto voltaje se dirigen a una celda de vidrio de ultra alto vacío donde se produjeron las moléculas polares ultrafrías.

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Vista cercana dentro de la cámara de vacío principal del experimento de moléculas de NaK. En el medio, cuatro cables de cobre de alto voltaje se dirigen a una celda de vidrio de ultra alto vacío donde se produjeron las moléculas polares ultrafrías.

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Un equipo de investigadores del Instituto Max Planck de Óptica Cuántica en Garching ha encontrado una manera simple y efectiva 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 estaban confinadas en una trampa óptica por luz láser. Para enfriar el gas, el equipo se basó en un método que durante mucho tiempo ha demostrado ser efectivo para enfriar átomos no unidos: el llamado enfriamiento evaporativo. "Este método funciona de manera similar al proceso familiar, que hace que una taza de café caliente se enfríe", dice Xin-Yu Luo, jefe del Laboratorio de Moléculas Polares Ultrafrías en la División de Sistemas Cuánticos de Muchos Cuerpos en el Instituto Max Planck de Óptica Cuántica: 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 llegar a ser lo suficientemente rápida como para escapar del café: sale al vapor de la taza. La otra molécula permanece con menos energía. Así es como el café se enfría gradualmente. De la misma manera, un gas se puede enfriar a unos pocos nanokelvin, milmillonésimas de grado por encima del cero absoluto a menos 273.15 grados Celsius.

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 pegarse entre sí durante las colisiones. Además, "las moléculas polares se comportan como pequeños imanes que pueden encajarse, en cuyo caso se pierden para el experimento", explica 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.

Las 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 campo de microondas fuerte y giratorio", explica Andreas Schindewolf. "El campo hace que las moléculas giren a una frecuencia más alta". Si dos moléculas se acercan demasiado entre sí, pueden intercambiar energía cinética, pero al mismo tiempo se alinean de tal manera que se repelen entre sí y se separan rápidamente de nuevo.


Imagen del sistema láser de sodio que genera la luz amarilla utilizada para el enfriamiento por láser y la obtención de imágenes de átomos de sodio.

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Imagen del sistema láser de sodio que genera la luz amarilla utilizada para el enfriamiento por láser y la obtención de imágenes de átomos de sodio.

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Para crear un campo de microondas con las propiedades requeridas, los investigadores colocaron una antena helicoidal debajo de la trampa óptica que contiene el gas de las moléculas de sodio-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 interacción eléctrica fuerte y de largo alcance entre las moléculas. "Como resultado, chocaron con mucha más frecuencia que sin el campo de microondas giratorio, 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", se complace en decir Luo. Y el investigador de Max Planck cree que pueden alcanzar temperaturas aún mucho más bajas a través de refinamientos técnicos en la configuración experimental.

Los resultados podrían tener consecuencias de largo 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 debería encontrar una aplicación generalizada, y contribuir a bastantes hallazgos nuevos", dice Immanuel Bloch, Director del Instituto Max Planck de Óptica Cuántica, División Quantum Many-Body Systems. "El enfriamiento asistido por microondas no solo abre una gama de nuevas investigaciones sobre estados peculiares de la materia, como superfluidos y supersólidos", dice Bloch. "Además, podría ser útil en tecnologías cuánticas". Por ejemplo, en las computadoras cuánticas, donde los datos tal vez podrían ser almacenados por moléculas ultrafrías. "Estos son tiempos realmente emocionantes para los investigadores que trabajan en moléculas polares ultrafrías", dice Xin-Yu Luo.

 
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