Para entender cómo los átomos se unen para convertirse en moléculas, necesitamos atraparlos en acción. Pero para hacer eso, los físicos deben obligar a los átomos a detenerse el tiempo suficiente para que se registren sus intercambios. Esa no es una tarea fácil, y un físico de la Universidad de Otago lo ha logrado recientemente.
Hasta ahora, lo mejor que podían hacer los físicos para comprender los puntos más finos de varias interacciones atómicas era calcular correlaciones basadas en promedios entre una multitud que se había enfriado hasta el punto de que todos comparten una identidad.
Esta versión atómica de fuentes múltiples proporciona una gran cantidad de información útil, pero no puede capturar detalles clave sobre el choque y la rutina de las colisiones entre partículas separadas que envía dispersión y fusión.
Incluso si logras capturar un puñado de átomos en un espacio, cada colisión corre el riesgo de enviar átomos a toda velocidad de tu experimento.
Una forma de analizar tales encuentros es tomar átomos aislados con el equivalente de un pequeño par de pinzas, mantenerlos quietos y registrar los cambios a medida que se encuentran.
Afortunadamente, existe un par de pinzas de este tipo. Hecho de luz polarizada especialmente alineada, estos pinzas basadas en láser puede actuar como trampas ópticas para objetos pequeños.
Dadas las ondas de luz lo suficientemente cortas, un experimentador tiene una buena posibilidad de atrapar algo tan pequeño como un átomo individual en su pellizco. Por supuesto, primero los átomos deben enfriarse para que sean más fáciles de atrapar, y luego separarse en un espacio vacío.
Describirlo de esta manera hace que suene fácil. Pero es un proceso que requiere la tecnología adecuada y mucha paciencia para lograrlo.
"Nuestro método implica la captura individual y el enfriamiento de tres átomos a una temperatura de aproximadamente una millonésima parte de un Kelvin utilizando rayos láser altamente enfocados en una cámara hiper-evacuada (vacío), del tamaño de una tostadora". dice el físico Mikkel F. Andersen.
"Combinamos lentamente las trampas que contienen los átomos para producir interacciones controladas que medimos".
Los átomos en este caso eran todos de la variedad de rubidio, que se unen para formar moléculas de dirubidium, pero solo dos átomos no son suficientes para lograr esto.
"Dos átomos por sí solos no pueden formar una molécula, se necesitan al menos tres para hacer química" dice el físico Marvin Weyland.
Modelar cómo ocurre esto es un verdadero desafío. Está claro que dos átomos tienen que acercarse lo suficiente como para que puedan formar un enlace, mientras que un tercero le quita una parte de esa energía de enlace para dejarlos conectados.
Resolver las matemáticas de cómo solo dos átomos se encuentran para formar una molécula es bastante difícil. Teniendo en cuenta las acciones de más puede ser una pesadilla
La recombinación de tres cuerpos entre átomos debería, en teoría, obligarlos a salir de su trampa, generalmente agregando otro problema más para físicos que intentan estudiar las interacciones entre múltiples átomos.
Usando una cámara especial para ampliar los cambios, el equipo captó el momento en que las partículas de rubidio se unieron, revelando que la tasa de pérdida no era tan común como se esperaba.
En efecto, también significa que las moléculas no se unían tan rápido como los modelos existentes podrían explicar.
Algo sobre el confinamiento de los átomos y los efectos cuánticos de corto alcance podría ayudar a explicar esta lentitud, pero el hecho de que sea inesperado significa que hay mucha física por explorar mediante este proceso.
"Nuestro trabajo es la primera vez que este proceso básico se estudia de forma aislada, y resulta que dio varios resultados sorprendentes que no se esperaban de mediciones anteriores en grandes nubes de átomos". dice Weyland.
"Con el desarrollo, esta técnica podría proporcionar una forma de construir y controlar moléculas individuales de productos químicos particulares".
Otros experimentos ayudarán a refinar esos modelos para explicar mejor cómo los grupos de átomos operan juntos para reunirse y unirse en varias condiciones.
En un mundo de tecnología cada vez más reducida, no es difícil imaginar la necesidad de procesos donde los circuitos microscópicos y los medicamentos avanzados se construyan átomo a átomo, una unión a la vez.
"Nuestra investigación trata de allanar el camino para poder construir a la escala más pequeña posible, a saber, la escala atómica, y estoy encantado de ver cómo nuestros descubrimientos influirán en los avances tecnológicos en el futuro". dice Andersen.
Esta investigación fue publicada en Cartas de revisión física.