Moléculas ultrafrías de cuatro átomos están unidas por momentos dipolares eléctricos – Physics World

Moléculas ultrafrías de cuatro átomos están unidas por momentos dipolares eléctricos – Physics World

Marca de tiempo: 14 de febrero de 2024 2:23 p.m.

Moléculas ultrafrías tetraatómicas
Interacción ultrafría: impresión artística de dos moléculas diatómicas situadas 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. (Cortesía: Christoph Hohmann/MCQST)

Se han creado moléculas tetraatómicas débilmente unidas que son más de 3000 veces más frías que cualquier molécula de cuatro átomos anterior utilizando una técnica de "electroasociación" recientemente desarrollada. El trabajo, que se basa en una propuesta de 2003, podría permitir ensamblar moléculas aún más grandes a temperaturas ultrafrías, abrir estudios sobre superfluidez y superconductividad e incluso encontrar aplicaciones en la computación cuántica.

En 2003, físico teórico. Juan Bohn de JILA en Boulder, Colorado, formó parte de un equipo liderado por el renombrado experimentalista deborah jin, que murió en 2015. Estaban estudiando los efectos de los campos magnéticos en gases fermiónicos ultrafríos. Los investigadores descubrieron que los átomos formaban moléculas diatómicas débilmente unidas cuando sintonizaban el valor del campo a través de la llamada resonancia de Feshbach, en la que la energía de unión era igual a la de las moléculas. Posteriormente, este proceso se conoció como magnetoasociación.

Luego, en 2008, un equipo dirigido por Jin y su colega de la Universidad de Colorado jun ye demostró la conversión de estos frágiles dímeros en moléculas en estado fundamental utilizando una técnica de enfriamiento por láser de tres niveles llamada paso adiabático Raman estimulado (STIRAP). Posteriormente, las dos técnicas han sido utilizadas por muchos otros grupos para crear dímeros ultrafríos para una gran cantidad de aplicaciones, como el estudio de la química cuántica.

Sin embargo, la magnetoasociación sólo funciona en partículas con momentos dipolares magnéticos, lo que significa que deben tener electrones desapareados. El grupo de Jin estaba trabajando con átomos de potasio, que son magnéticos. Una vez que se asocian para formar moléculas diatómicas de potasio, ya no responden a los campos magnéticos.

¿Por qué no la electroasociación?

Ese mismo año, Bohn y su colega Aleksandr Avdeenkov publicó un artículo teórico sugiriendo que podría ser posible inducir el emparejamiento de moléculas no magnéticas si tuvieran un momento dipolar eléctrico: “La magnetoasociación era algo que existía, así que pensamos, bueno, ¿por qué no la electroasociación?” dice Bohn: "No pensamos más en eso".

Sin embargo, en 2023, utilizando una versión modificada de la propuesta original de Bohn, Xin-Yu Luo del Instituto Max Planck de Óptica Cuántica en Alemania y sus colegas colocaron moléculas de sodio y potasio ultrafrías fuertemente unidas (producidas por magnetoasociación y STIRAP) en un campo de microondas externo oscilante. En valores de campo específicos, encontraron evidencia espectroscópica de un estado resonante diferente a todo lo visto anteriormente entre pares de moléculas. En este estado, las dos moléculas bailaban en paralelo mientras sus propios momentos dipolares eléctricos modificaban el potencial aplicado. La interacción resultante era repulsiva a distancias cortas pero atractiva a largas distancias, lo que daba como resultado un estado unido que era aproximadamente 1000 veces mayor que los diámetros de las moléculas individuales. En ese momento, sin embargo, los investigadores sólo tenían evidencia de que el estado existía, no ningún medio controlado para colocar partículas en él.

Microondas polarizadas circularmente

En el nuevo trabajo, los investigadores de Max Planck y sus colegas de la Universidad de Wuhan en China descubrieron que, al aplicar un campo de microondas polarizado circularmente a moléculas de sodio y potasio a temperaturas de alrededor de 100 nK antes de aumentar la elipticidad del campo, podían inducir a algunas de ellas a formar tetrámeros. El equipo también logró disociar los tetrámeros y, observando la forma de los dímeros liberados, obtuvo imágenes de la función de onda del tetrámero. Describen esto en Naturaleza.

"La energía de enlace es una escala de radiofrecuencia", dice Luo, "es más de 10 órdenes de magnitud más débil que la energía de enlace químico típica".

Los investigadores ahora esperan utilizar STIRAP para crear tetrámeros fuertemente unidos. Esto no será una tarea fácil, dice Luo, porque requiere un nivel de energía intermedio adecuado, y los tetrámeros tienen muchos más niveles de energía que los dímeros. "Incluso para mí sigue abierta la cuestión de si podemos encontrar un estado adecuado en el bosque de niveles de energía", afirma Luo. Sin embargo, si pueden, existe la tentadora posibilidad de repetir la técnica para construir moléculas cada vez más grandes.

Los investigadores también buscan enfriar aún más sus moléculas en un condensado de Bose-Einstein (BEC). Luego se convertirían en una poderosa herramienta para estudiar el cruce entre el estado BEC y el estado de superconductividad de Bardeen-Cooper-Schrieffer (BCS). Este cruce es crucial para comprender la superconductividad de alta temperatura. Una herramienta de este tipo permitiría a los físicos sintonizar los constituyentes del condensado entre dímeros fermiónicos y tetrámeros bosónicos simplemente sintonizando el campo de microondas. Esto les permitiría convertir un BEC en un gas Fermi degenerado que soporta pares de Cooper.

En el futuro, el sistema podría incluso ser útil en computación cuántica, ya que las predicciones teóricas sugieren que debería admitir modos cero de Majorana topológicamente protegidos que podrían usarse para crear qubits resistentes al ruido.

Bohn describe el trabajo de Luo y sus colegas como fantástico y añade: "No sólo está bien hecho, sino que es algo que mucha gente ha estado esperando durante mucho tiempo". Después de leer el artículo de 2023 del grupo, colaboró ​​con dos colegas para desarrollar un marco teórico, descrito en Physical Review Letters en julio de 2023, por lograr la electroasociación en base a los resultados del grupo y mostrar el ritmo ideal para alterar los campos. “Mientras hacíamos eso, ellos ya hicieron el experimento”, dice; "Evidentemente lo descubrieron por sí solos".

Sello de tiempo:

Mas de Mundo de la física