Los científicos preparan el terreno para la química cuántica en el espacio

17.11.2023

Vista desde la Estación Espacial Internacional de la cápsula que llevó el Laboratorio de Átomos Fríos a la ISS.

NASA/JPL-Caltech

Por primera vez en el espacio, unos científicos han producido una mezcla de dos gases cuánticos compuestos por dos tipos de átomos. Este logro, conseguido con el Laboratorio de Átomos Fríos de la NASA a bordo de la Estación Espacial Internacional, supone un paso más hacia la introducción en el espacio de tecnologías cuánticas actualmente disponibles sólo en la Tierra. Físicos de la Universidad Leibniz de Hannover (LUH), que forman parte de una colaboración dirigida por el profesor Nicholas Bigelow, de la Universidad de Rochester, realizaron los cálculos teóricos necesarios para este logro. Aunque las herramientas cuánticas ya se utilizan en todo tipo de aparatos, desde teléfonos móviles a GPS o dispositivos médicos, en el futuro podrían emplearse para mejorar el estudio de los planetas, incluido el nuestro, así como para ayudar a resolver misterios del universo y profundizar en nuestra comprensión de las leyes fundamentales de la naturaleza. El nuevo trabajo, realizado a distancia por científicos en la Tierra, se describe en el número del 16 de noviembre de la revista Nature.

Con esta nueva capacidad, ahora es posible estudiar no sólo las propiedades cuánticas de tipos individuales de átomos, sino también la química cuántica, que se centra en cómo los isótopos de diferentes elementos atómicos interactúan y se combinan entre sí en un estado cuántico. Los investigadores podrán realizar una gama más amplia de experimentos con el Cold Atom Lab y aprender más sobre los matices de realizarlos en microgravedad. Estos conocimientos serán esenciales para aprovechar esta instalación única en su género para desarrollar nuevas tecnologías cuánticas basadas en el espacio.

Química cuántica

El mundo físico que nos rodea depende de que los átomos y las moléculas permanezcan unidos, según un conjunto de reglas establecidas. Pero según el entorno en el que se encuentren los átomos y las moléculas, como la microgravedad, las reglas pueden dominar o debilitarse. Los científicos del Laboratorio del Átomo Frío exploran escenarios en los que la naturaleza cuántica de los átomos domina su comportamiento. Eso puede significar que, en lugar de actuar como bolas de billar sólidas, los átomos y las moléculas se comporten más como ondas.

Observación directa de moléculas gigantes

Los físicos lograron formar moléculas diatómicas gigantescas y detectarlas ópticamente después mediante un objetivo de alta resolución.

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En uno de esos escenarios, los átomos de moléculas de dos o tres átomos pueden permanecer unidos pero cada vez más separados, casi como si las moléculas se esponjaran. Para estudiar estos estados, los científicos primero tienen que ralentizar los átomos. Para ello, los enfrían a fracciones de grado por encima de la temperatura más baja que puede alcanzar la materia y mucho más fría que cualquier otra que se encuentre en el universo natural: el cero absoluto, o menos 273 grados Celsius.

Los físicos han creado estas moléculas esponjosas en experimentos con átomos fríos sobre el terreno, pero son extremadamente frágiles y o bien se rompen rápidamente o bien vuelven a colapsar hasta alcanzar un estado molecular normal. Por este motivo, nunca se han obtenido imágenes directas de moléculas agrandadas con tres átomos. En microgravedad, las moléculas frágiles pueden existir durante más tiempo y aumentar de tamaño, por lo que los físicos están entusiasmados con la idea de empezar a experimentar con la nueva capacidad del Laboratorio de Átomos Fríos.

Es probable que este tipo de moléculas no existan en la naturaleza, pero es posible que puedan utilizarse para fabricar detectores sensibles capaces de revelar cambios sutiles en la intensidad de un campo magnético, por ejemplo, o cualquier otra perturbación que provoque su ruptura o colapso.

Un misterio moderno

"Ahora tenemos, por ejemplo, formas completamente nuevas de probar el principio de equivalencia de Einstein, uno de los supuestos más fundamentales de la física fundamental", afirma Naceur Gaaloul, del Instituto de Óptica Cuántica de la LUH y coautor del nuevo estudio. El famoso principio sostiene que la gravedad afecta a todos los objetos por igual, independientemente de su masa. Es un principio que muchos profesores de física demostrarán colocando una pluma y un martillo en una cámara de vacío sellada y demostrando que, en ausencia de fricción con el aire, ambos caen a la misma velocidad.

Utilizando un instrumento llamado interferómetro atómico, los científicos ya han realizado experimentos en la Tierra para comprobar si el principio de equivalencia se cumple a escala atómica. Utilizando un gas cuántico con dos tipos de átomos y un interferómetro en la microgravedad de la estación espacial, podrían comprobarlo con más precisión de la que es posible en la Tierra. De este modo, podrían averiguar si existe un punto en el que la gravedad no trata a toda la materia por igual, lo que indicaría que la teoría general de la relatividad contiene un error (aunque pequeño).

El principio de equivalencia forma parte de la teoría general de la relatividad de Albert Einstein, la columna vertebral de la física gravitatoria moderna, que describe cómo se comportan los objetos grandes, como planetas y galaxias. Pero un gran misterio de la física moderna es por qué las leyes de la gravedad no parecen coincidir con las leyes de la física cuántica, que describen el comportamiento de objetos pequeños, como los átomos. Ambos campos han demostrado ser correctos una y otra vez en sus respectivos ámbitos de tamaño, pero los físicos han sido incapaces de unirlos en una única descripción del universo en su conjunto.

Buscar características de la gravedad no explicadas por la teoría de Einstein es una forma de buscar un medio de unificación o de conocer la naturaleza de la energía oscura, el misterioso motor de la expansión acelerada del universo.

Mejores sensores

Los científicos ya tienen ideas para ir más allá de las pruebas de física fundamental en microgravedad. También han propuesto experimentos espaciales que podrían utilizar un interferómetro atómico y gases cuánticos para medir la gravedad con gran precisión y observar las variaciones de masa en la Tierra. Lo que aprendan podría conducir al desarrollo de sensores de precisión para una amplia gama de aplicaciones como la geofísica, la investigación climática o la navegación inercial espacial.

La calidad de esos sensores dependerá de lo bien que los científicos comprendan el comportamiento de esos átomos en microgravedad, incluida la forma en que esos átomos interactúan entre sí. La introducción de herramientas para controlar los átomos, como los campos magnéticos, puede hacer que se repelan como el aceite y el agua o que se peguen como la miel. Comprender esas interacciones es un objetivo clave del Laboratorio de Átomos Fríos y su sucesor BECCAL, un proyecto conjunto de la NASA y la Agencia Aeroespacial Alemana (DLR).

Líder mundial en física cuántica ultrafría

Los científicos de la Universidad Leibniz de Hannover figuran entre los principales expertos internacionales en investigación cuántica a temperaturas extremadamente bajas, tanto en la Tierra como en el espacio. El grupo temático "Átomos fríos en el espacio" del Cluster de Excelencia QuantumFrontiers, por ejemplo, está desarrollando nuevas ideas para la física cuántica fundamental. En las instalaciones del Interferómetro Atómico de Muy Larga Base y del Elevador de Einstein, los átomos ultrafríos son el elemento central de experimentos pioneros en óptica atómica con aplicaciones en gravimetría absoluta de alta precisión y pruebas de física fundamental.

También están en marcha los preparativos para el lanzamiento de la misión MAIUS-2, que estudiará la generación de mezclas de gases cuánticos en el espacio y cuyos resultados constituirán la base de ambiciosas misiones de interferometría junto con la NASA en la Estación Espacial Internacional a partir de 2027.

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