Récord: moléculas de gran tamaño baten la temperatura más fría alcanzada hasta la fecha
Moléculas moléculas tetratómicas, esto es, de cuatro átomos, pegadas entre sí mediante microondas han batido el récord de ser la molécula más compleja en alcanzar temperaturas de apenas mil millonésimas de grado del cero absoluto.
Por el Instituto Max Planck de Óptica Cuántica
Dos moléculas diatómicas se encuentran en un potencial intermolecular, aquí representado por polvo de hierro que indica las líneas de campo a través de las cuales se unen dos moléculas. Foto: Christoph Hohmann, MCQST
Un equipo de científicos del Instituto Max Planck de Óptica Cuántica (MPQ) y teóricos de la Academia China de Ciencias (CAS) ha logrado por primera vez cocinar y estabilizar un nuevo tipo de moléculas, las llamadas moléculas tetratómicas ligadas a campos. Estas supermoléculas son tan frágiles que solo pueden existir a temperaturas ultrafrías.
La ciencia sospechaba de su existencia desde hacía tiempo, pero nunca había logrado demostralo experimentalmente, hasta ahora. Las moléculas poliatómicas creadas en este nuevo estudio están compuestas por más de dos átomos, y los físicos han conseguido enfriarlas a solo 34 nanokelvin, más de 3.000 veces por debajo de la temperatura de las moléculas tetratómicas creadas anteriormente.
Este logro no es solo una hazaña novedosa en física molecular, sino también un importante paso adelante en el estudio de la materia exótica ultrafría. El trabajo aparece publicado en la revista Nature.
Grandes moléculas unidas por una fuerza débil.
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 tienen una carga distribuida asimétricamente, lo que los físicos llaman polaridad, pueden combinarse en un campo eléctrico para formar supermoléculas débilmente unidas.
Estas moléculas polares se comportan como las agujas de una brújula dentro de un caparazón duro. Cuando se ponen juntas, las agujas de una brújula experimentan una atracción más fuerte que el campo magnético terrestre y apuntan unas hacia otras en lugar de alinearse con el norte.
Un fenómeno similar puede observarse con las moléculas polares que, en condiciones específicas, llegan a formar un estado de unión único a través de fuerzas eléctricas. Su unión recuerda en cierto modo a la danza de una pareja que se sujeta con fuerza y, al mismo tiempo, mantiene constantemente una cierta distancia.
Esta es la cámara de vacío en la que se enfriaron moléculas de cuatro átomos hasta casi el cero absoluto. Foto: MCQST
El estado de enlace de las supermoléculas es mucho más débil que el de los enlaces químicos típicos, pero al mismo tiempo tiene un alcance mucho mayor. Aquellas comparten una longitud de enlace a distancias varios cientos de veces mayores que las moléculas unidas normalmente.
Debido a su naturaleza de largo alcance, estas supermoléculas son muy sensibles. En efecto, si los parámetros del campo eléctrico se modifican solo un poco en un valor crítico, las fuerzas entre las moléculas cambian drásticamente. Se rata de un fenómeno denominado resonancia ligada al campo. Esto permite a los investigadores variar de forma flexible la forma y el tamaño de las moléculas con un campo de microondas.
Una obra en tres partes: de moléculas diatómicas a tetratómicas.
Las moléculas poliatómicas ultrafrías contienen una rica estructura interna que ofrece nuevas y apasionantes posibilidades en química fría, mediciones de precisión y procesamiento cuántico de la información. Sin embargo, su gran complejidad, en comparación con las moléculas diatómicas, supone un gran reto para el empleo de técnicas de enfriamiento convencionales, como el enfriamiento directo por láser y el enfriamiento evaporativo.
Los investigadores del NaK Lab (laboratorio de potasio sódico) del MPQ, dirigidos por Xinyu Luo, Timon Hilker e Immanuel Bloch, han logrado en los últimos años una serie de descubrimientos pioneros que fueron cruciales para superar finalmente este reto.
En primer lugar, en 2021, los investigadores de este laboratorio inventaron una novedosa técnica de enfriamiento de moléculas polares mediante un campo de microondas giratorio de alta potencia. De este modo, establecieron un nuevo récord de baja temperatura: 21 milmillonésimas de grado por encima del cero absoluto a -273,15 ºC.
Un año después, los investigadores consiguieron crear las condiciones necesarias para observar por primera vez la firma de la unión entre estas moléculas en experimentos de dispersión. Esto proporcionó la primera prueba indirecta de la existencia de estas construcciones exóticas predichas teóricamente desde hace tiempo.
Las tetramoléculas podrían ser relevantes para la computación cuántica tolerante a fallos.
Ahora se dispone incluso de una prueba directa, ya que los investigadores fueron capaces de 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 para la creación de materiales cuánticos topológicos que, a su vez, pueden ser relevantes para la computación cuántica tolerante a fallos. No hay que olvidar que la tolerancia a fallos hace referencia a la capacidad de un sistema para funcionar correctamente incluso en presencia de fallos, como errores o un mal funcionamiento.
"Esta investigación tendrá implicaciones inmediatas y de gran alcance— afirma Xing-Yan Chen, primer autor del artículo. Y añade: —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 longevas, lo que sería especialmente interesante para la metrología de precisión o la química cuántica".
“Hemos llegado a estos resultados gracias también a su estrecha colaboración con el profesor Tao Shi y su equipo del CAS —comenta Xin-Yu Luo, investigador principal del experimento. Y continúa: —Nuestro próximo objetivo es enfriar aún más estas supermoléculas bosónicas para formar un condensado de Bose-Einstein (BEC), en el que las moléculas se mueven juntas colectivamente”.
Esta perspectiva encierra un importante potencial para nuestra comprensión fundamental de la física cuántica. “Lo más asombroso es que, con solo sintonizar un campo de microondas, un BEC de supermoléculas'puede transformarse en un novedoso fluido cuántico de moléculas fermiónicas que conserva la simetría especial de onda p", concluye Xin-Yu Luo.
Información facilitada por el Instituto Max Planck de Óptica Cuántica
Fuente: Chen, XY., Biswas, S., Eppelt, S. et al. Ultracold field-linked tetratomic molecules. Nature (2024). DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-023-06986-6
