Un refrigerador de microondas nanokelvin para moléculas

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

02.08.2022 - Alemania

Investigadores del Instituto Max Planck de Óptica Cuántica han desarrollado una novedosa técnica de refrigeración de gases moleculares que permite enfriar moléculas polares hasta unos pocos nanokelvin. El truco utilizado por el equipo de Garching para superar este obstáculo se basa en un campo de microondas giratorio. Ayuda a estabilizar las colisiones entre las moléculas durante el enfriamiento mediante un escudo protector energético. De este modo, los investigadores del Max Planck consiguieron enfriar un gas de moléculas de sodio-potasio hasta 21 milmillonésimas 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 antes no eran accesibles experimentalmente.

Cuando un gas muy diluido se enfría a temperaturas extremadamente bajas, se revelan propiedades extrañas. Por ejemplo, algunos gases forman el llamado condensado de Bose-Einstein, un tipo de materia en el que todos los átomos se mueven al unísono. Otro ejemplo es la suprasolidez: un estado en el que la materia se comporta como un fluido sin fricción con una estructura periódica. Los físicos esperan formas especialmente diversas y reveladoras de la materia cuántica al enfriar los gases formados por moléculas polares. Se caracterizan por una distribución desigual de la carga eléctrica. A diferencia de los átomos libres, pueden girar, vibrar y atraerse o repelerse. Sin embargo, es difícil enfriar los gases moleculares a temperaturas ultrabajas.

Un equipo de investigadores del Instituto Max Planck de Óptica Cuántica de Garching ha creado ahora una forma sencilla y eficaz de eliminar este obstáculo. Se basa en un campo giratorio de microondas.

Un proceso como el de una taza de café

Para sus experimentos, los investigadores utilizaron un gas de moléculas de sodio-potasio (NaK) que fueron atrapadas en una trampa óptica mediante luz láser. Para enfriar el gas, el equipo recurrió a un método que ha demostrado su eficacia para enfriar átomos no unidos: el llamado enfriamiento por evaporación. "Este método funciona según un principio similar al de una taza de café caliente", explica Xin-Yu Luo, jefe del Laboratorio de Moléculas Polares Ultrafrías del Departamento de Sistemas Cuánticos de Muchos Cuerpos del Instituto Max Planck de Óptica Cuántica: en el café, las moléculas de agua chocan constantemente e intercambian parte de su energía cinética. Si dos moléculas especialmente energéticas chocan, una de ellas puede volverse lo suficientemente rápida como para escapar del café: sale al vapor de la taza. La otra molécula se queda atrás con menos energía. Así es como el café se enfría gradualmente. Del mismo modo, un gas puede enfriarse hasta unos pocos nanokelvin, milmillonésimas de grado por encima del cero absoluto, a menos 273,15 grados Celsius.

Sin embargo: "Si el gas está formado por moléculas, éstas 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. Esto dificulta el control de sus movimientos durante las colisiones. Las moléculas pueden quedar atrapadas unas en otras durante las colisiones. En el caso de las moléculas polares, esto se ve agravado por el hecho de que "se comportan como pequeños imanes y pueden -como éstas- apelmazarse, haciendo que se pierdan en el experimento", explica Andreas Schindewolf, que investiga 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 a distancia

Para eliminar el obstáculo, los investigadores de Garching recurrieron a un truco: la aplicación adicional de un campo electromagnético especialmente preparado que sirve de escudo energético para las moléculas, impidiendo que queden atrapadas y se aglutinen. "Realizamos este escudo energético utilizando un campo de microondas fuerte y giratorio", explica Andreas Schindewolf. "El campo hace que las moléculas giren a una frecuencia más alta". Así, si dos moléculas se acercan demasiado, pueden intercambiar energía cinética, pero al mismo tiempo se alinean entre sí de forma que se repelen y vuelven a alejarse rápidamente.

Para crear un campo de microondas con las propiedades requeridas, los investigadores colocaron una antena helicoidal bajo la trampa óptica que contenía el gas de moléculas de sodio-potasio. "Esto redujo la velocidad a la que las moléculas se enredaban 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, colisionaron con mucha más frecuencia que sin el campo de microondas giratorio: una media de unas 500 veces por molécula", afirma el físico. "Eso fue suficiente para enfriar el gas hasta casi el cero absoluto por el efecto de la evaporación".

Un nuevo récord de baja temperatura

Al cabo de sólo un tercio de segundo, la temperatura alcanzó unos 21 nanokelvin, muy por debajo de la "temperatura de Fermi" crítica. Marca el límite por encima del cual los efectos cuánticos determinan el comportamiento de un gas y comienzan a manifestarse fenómenos extraños. "La temperatura que hemos alcanzado es la más baja hasta ahora en un gas de moléculas polares", se congratula Luo. Y el investigador del Max Planck está convencido de que pueden alcanzar temperaturas aún más bajas gracias a los refinamientos técnicos del montaje experimental.

Los resultados podrían tener consecuencias de gran alcance para la investigación de los efectos cuánticos y la materia cuántica. "Dado que la nueva técnica de enfriamiento es tan sencilla que también puede integrarse en la mayoría de los montajes experimentales con moléculas polares ultrafrías, el método debería encontrar pronto una aplicación generalizada y contribuir a un buen número de nuevos descubrimientos", afirma Immanuel Bloch, director del Departamento de Sistemas Cuánticos de Muchos Cuerpos. "El enfriamiento por campo de microondas no sólo abre un abanico de nuevas investigaciones sobre estados peculiares de la materia, como la superfluidez o la suprasolidez", dice Bloch. "Además, podría ser útil en las tecnologías cuánticas". Por ejemplo, en los ordenadores cuánticos, donde los datos podrían ser almacenados por moléculas ultrafrías. "Estos son tiempos realmente emocionantes para los investigadores que trabajan con moléculas polares ultrafrías", afirma Xin-Yu Luo.

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