En un hito importante para la física cuántica, se ha inducido a miles de moléculas a compartir el mismo estado cuántico, bailando juntas al unísono como una gran supermolécula.
Este es un objetivo buscado durante mucho tiempo por los físicos, que esperan aprovechar los complejos sistemas cuánticos para aplicaciones tecnológicas, pero lograr que un grupo de moléculas rebeldes trabajen juntas es tan difícil como pastorear gatos.
“La gente ha intentado hacer esto durante décadas, así que estamos muy emocionados”. dijo el físico Cheng Chin de la Universidad de Chicago.
“Espero que esto pueda abrir nuevos campos en la química cuántica de muchos cuerpos. Hay evidencia de que hay muchos descubrimientos esperando por ahí”.
El concepto de muchas partículas que actúan juntas como una gran partícula, compartiendo sus estados cuánticos, no es nuevo. Lo hemos logrado y experimentado con él durante décadas con nubes de átomos individuales en un Estado de la materia llamado a Condensado de Bose-Einstein.
Estos se forman a partir de átomos enfriados a solo una fracción por encima del cero absoluto (pero sin llegar al cero absoluto, momento en el que los átomos dejan de moverse). Esto hace que se hundan a su estado de energía más baja, moviéndose extremadamente lento para que sus diferencias de energía desaparezcan, lo que los lleva a superponerse en superposición cuántica.
El resultado es una nube de átomos de alta densidad que actúa como un ‘superátomo’ u onda de materia.
Las moléculas, sin embargo, están formadas por múltiples átomos unidos entre sí y, por lo tanto, son mucho más difíciles de domesticar de esta manera.
“Los átomos son objetos esféricos simples, mientras que las moléculas pueden vibrar, rotar, transportar pequeños imanes”. Chin explicó. “Debido a que las moléculas pueden hacer tantas cosas diferentes, las hace más útiles y, al mismo tiempo, mucho más difíciles de controlar”.
Para crear su condensado molecular de Bose-Einstein, el equipo, dirigido por el físico Zhendong Zhang de la Universidad de Chicago, comenzó con un condensado atómico de Bose-Einstein, utilizando un gas de 60.000 átomos de cesio.
A continuación, enfriaron aún más el condensado y aumentaron el campo magnético de modo que alrededor del 15 por ciento de los átomos de cesio chocaron y se unieron en pares para formar moléculas de dicesio. Los átomos no unidos fueron expulsados de la trampa y se aplicó un gradiente de campo magnético para levitar y constreñir las moléculas restantes en una configuración bidimensional.
“Por lo general, las moléculas quieren moverse en todas las direcciones y, si lo permites, son mucho menos estables”. Chin dijo. “Confinamos las moléculas para que estén en una superficie 2D y solo puedan moverse en dos direcciones”.
El gas resultante estaba formado por moléculas que, según los científicos, ocupaban el mismo estado cuántico, con los mismos giros, orientación y vibración.
Todavía tenemos que explorar lo que puede hacer un condensado molecular de Bose-Einstein, pero este es un paso significativo en esa dirección, proporcionando un lienzo vacío para experimentos futuros.
No solo para el condensado molecular en sí, sino también para la transición entre los condensados de Bose-Einstein atómicos y moleculares. Explorar cómo funciona esto ayudará a los científicos a agilizar el proceso, para que podamos desarrollar condensados con otras moléculas que pueden ser más fáciles de mantener o más eficientes para diferentes aplicaciones tecnológicas.
“En la forma tradicional de pensar en la química, uno piensa en algunos átomos y moléculas que chocan y forman una nueva molécula”. Chin dijo.
“Pero en el régimen cuántico, todas las moléculas actúan juntas, en comportamiento colectivo. Esto abre una forma completamente nueva de explorar cómo las moléculas pueden reaccionar todas juntas para convertirse en un nuevo tipo de molécula”.
La investigación del equipo se ha publicado en Naturaleza.
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