Durante años, los científicos han buscado formas de enfriar las moléculas a temperaturas ultrafrías, momento en el que las moléculas deberían reducirse lentamente, permitiendo a los científicos controlar con precisión su comportamiento cuántico. Esto podría permitir a los investigadores utilizar moléculas como bits complejos para la cuánticacomputación, sintonizando moléculas individuales como pequeñas perillas para realizar múltiples flujos de cálculos a la vez.
Si bien los científicos tienen átomos súper enfriados, hacer lo mismo con las moléculas, que son más complejas en su comportamiento y estructura, ha demostrado ser un desafío mucho mayor.
Ahora, los físicos del MIT han encontrado una manera de enfriar moléculas de litio de sodio hasta 200 billonésimas de Kelvin, solo un cabello por encima del cero absoluto. Lo hicieron aplicando una técnica llamada enfriamiento por colisión, en la que sumergieron moléculas de litio de sodio fríoen una nube de átomos de sodio aún más fríos. Los átomos ultrafríos actuaron como refrigerantes para enfriar aún más las moléculas.
El enfriamiento por colisión es una técnica estándar utilizada para enfriar átomos usando otros átomos más fríos. Y durante más de una década, los investigadores han intentado sobreenfriar varias moléculas diferentes usando el enfriamiento por colisión, solo para descubrir que cuando las moléculas colisionan con los átomos,intercambiaron energía de tal manera que las moléculas se calentaron o destruyeron en el proceso, llamadas colisiones "malas".
En sus propios experimentos, los investigadores del MIT descubrieron que si las moléculas de litio de sodio y los átomos de sodio giraran de la misma manera, podrían evitar la autodestrucción y, en su lugar, se involucrarían en colisiones "buenas", donde los átomos se llevabanenergía de las moléculas, en forma de calor. El equipo utilizó un control preciso de los campos magnéticos y un intrincado sistema de láseres para coreografiar el giro y el movimiento de rotación de las moléculas. Como resultado, la mezcla átomo-molécula tenía una alta proporción de biende colisiones malas y se enfrió de 2 microkelvins a 220 nanokelvins.
"El enfriamiento por colisión ha sido el caballo de batalla para enfriar átomos", agrega el premio Nobel Wolfgang Ketterle, profesor de física John D. Arthur en el MIT. "No estaba convencido de que nuestro esquema funcionaría, pero como no lo hicimossabemos con certeza, tuvimos que probarlo. Ahora sabemos que funciona para enfriar las moléculas de sodio y litio. Queda por ver si funcionará para otras clases de moléculas ".
Sus hallazgos, publicados en la revista Naturaleza , marca la primera vez que los investigadores han utilizado con éxito el enfriamiento por colisión para enfriar las moléculas a temperaturas de nanokelvin.
Los coautores de Ketterle en el artículo son el autor principal Hyungmok Son, un estudiante graduado en el Departamento de Física de la Universidad de Harvard, junto con la estudiante graduada de física del MIT Juliana Park y Alan Jamison, profesor de física en la Universidad de Waterloo y científico visitante en el MITLaboratorio de Investigación de Electrónica.
Alcanzando temperaturas ultrabajas
En el pasado, los científicos descubrieron que cuando intentaban enfriar las moléculas a temperaturas extremadamente frías rodeándolas con átomos aún más fríos, las partículas colisionaron de tal manera que los átomos impartieron energía adicional o rotación a las moléculas, enviándolas volando fuera de la trampa, o autodestruirse todos juntos por reacciones químicas. Los investigadores del MIT se preguntaron si las moléculas y los átomos, al tener el mismo giro, podrían evitar este efecto y permanecer ultrafríos y estables como resultado. Buscaron probar su idea con litio de sodio, unmolécula "diatómica" con la que el grupo de Ketterle experimenta regularmente, que consta de un átomo de litio y un átomo de sodio.
"Las moléculas de litio de sodio son bastante diferentes de otras moléculas que la gente ha intentado", dice Jamison. "Muchas personas esperaban que esas diferencias harían que el enfriamiento fuera aún menos probable. Sin embargo, teníamos la sensación de que estas diferencias podrían ser una ventaja en lugar dedetrimento."
Los investigadores afinaron un sistema de más de 20 rayos láser y varios campos magnéticos para atrapar y enfriar átomos de sodio y litio en una cámara de vacío, hasta aproximadamente 2 microkelvins, una temperatura que, según Son, es óptima para que los átomosse unen como moléculas de sodio y litio.
Una vez que los investigadores pudieron producir suficientes moléculas, brillaron rayos láser de frecuencias y polarizaciones específicas para controlar el estado cuántico de las moléculas y sintonizar cuidadosamente los campos de microondas para hacer que los átomos giren de la misma manera que las moléculas ". Luego hacemosel refrigerador cada vez más frío ", dice Son, refiriéndose a los átomos de sodio que rodean la nube de las moléculas recién formadas." Disminuimos la potencia del láser atrapador, haciendo que la trampa óptica sea más y más floja, lo que eleva la temperatura de los átomos de sodio.abajo, y enfría aún más las moléculas, a 200 billonésimas de kelvin ".
El grupo observó que las moléculas podían permanecer a estas temperaturas ultrafrías por hasta un segundo. "En nuestro mundo, un segundo es muy largo", dice Ketterle. "Lo que quieres hacer con estas moléculas es el cálculo cuántico yexplorar nuevos materiales, que pueden hacerse en pequeñas fracciones de segundo "
Si el equipo puede lograr que las moléculas de litio y sodio sean aproximadamente cinco veces más frías de lo que han logrado hasta ahora, habrán alcanzado el llamado régimen degenerado cuántico donde las moléculas individuales se vuelven indistinguibles y su comportamiento colectivo está controlado por la mecánica cuántica.Son y sus colegas tienen algunas ideas sobre cómo lograr esto, lo que implicará meses de trabajo en la optimización de su configuración, así como la adquisición de un nuevo láser para integrarlo en su configuración.
"Nuestro trabajo llevará a la discusión en nuestra comunidad por qué el enfriamiento por colisión ha funcionado para nosotros pero no para otros", dice Son "Quizás pronto tengamos predicciones de cómo otras moléculas podrían enfriarse de esta manera".
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Instituto de Tecnología de Massachusetts . Original escrito por Jennifer Chu. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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