Los investigadores de JILA han fabricado un gas de moléculas de frío récord de larga vida que sigue los patrones de onda de la mecánica cuántica en lugar de la naturaleza estrictamente de partículas de la física clásica ordinaria. La creación de este gas aumenta las probabilidades de avances en campos comodiseñador de química y computación cuántica.
Como aparece en la portada de la edición del 22 de febrero de ciencia , el equipo produjo un gas de moléculas de potasio-rubidio KRb a temperaturas tan bajas como 50 nanokelvin nK. Eso es 50 mil millonésimas de Kelvin, o simplemente un poco por encima del cero absoluto, la temperatura más baja teóricamente posible. Las moléculasestán en los estados de energía más bajos posibles, formando lo que se conoce como un gas Fermi degenerado.
En un gas cuántico, todas las propiedades de las moléculas están restringidas a valores específicos, o cuantificadas, como peldaños en una escalera o notas en una escala musical. Enfriar el gas a las temperaturas más bajas les da a los investigadores el máximo control sobre las moléculas.dos átomos involucrados están en diferentes clases: el potasio es un fermión con un número impar de componentes subatómicos llamados protones y neutrones y el rubidio es un bosón con un número par de componentes subatómicos. Las moléculas resultantes tienen un carácter de Fermi.
JILA es operado conjuntamente por el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología NIST y la Universidad de Colorado Boulder. Los investigadores de NIST en JILA han estado trabajando durante años para comprender y controlar las moléculas ultrafrías, que son más complejas que los átomos porque no solotienen muchos niveles de energía interna pero también rotan y vibran. El equipo de JILA hizo su primer gas molecular hace 10 años.
"Las técnicas básicas para producir el gas son las mismas que hemos usado antes, pero tenemos algunos trucos nuevos como mejorar significativamente el enfriamiento de los átomos, creando más de ellos en el estado de menor energía", NIST/ El compañero de JILA, Jun Ye, dijo: "Esto da como resultado una mayor eficiencia de conversión, por lo que obtenemos más moléculas".
El equipo de JILA produjo 100,000 moléculas a 250 nK y hasta 25,000 moléculas a 50 nK.
Antes de ahora, las moléculas de dos átomos más frías se producían en cantidades máximas de decenas de miles y a temperaturas no inferiores a unos pocos cientos de nanoKelvin. El último registro de temperatura de gas de JILA es mucho más bajo que aproximadamente un tercio del nivel dondeLos efectos cuánticos comienzan a tomar el control de los efectos clásicos, y las moléculas duran unos pocos segundos, una longevidad notable, dijo Ye.
El nuevo gas es el primero en enfriarse y ser lo suficientemente denso como para que las ondas de materia de estas moléculas sean más largas que las distancias entre ellas, haciendo que se superpongan entre sí para crear una nueva entidad. Los científicos llaman a esto degeneración cuántica.puede comportarse como partículas u ondas de materia, es decir, patrones de forma de onda de la probabilidad de la ubicación de una partícula.
La degeneración cuántica también significa un aumento en la repulsión entre partículas fermiónicas, que tienden a ser solitarias de todos modos, lo que resulta en menos reacciones químicas y un gas más estable. Este es el primer experimento en el que los científicos han observado efectos cuánticos colectivos que afectan directamente a la químicade moléculas individuales, dijo Ye.
"Este es el primer gas degenerado cuántico de moléculas estables en masa, y las reacciones químicas se suprimen, un resultado que nadie había predicho", dijo Ye.
Las moléculas creadas en este experimento se llaman moléculas polares porque tienen una carga eléctrica positiva en el átomo de rubidio y una carga negativa en el átomo de potasio. Sus interacciones varían según la dirección y pueden controlarse con campos eléctricos. Las moléculas polares ofrecen mássintonizables, interacciones más fuertes y "botones" de control adicionales en comparación con partículas neutras.
Estas nuevas temperaturas ultrabajas permitirán a los investigadores comparar reacciones químicas en entornos cuánticos versus entornos clásicos y estudiar cómo los campos eléctricos afectan las interacciones polares. Los posibles beneficios prácticos podrían incluir nuevos procesos químicos, nuevos métodos para la computación cuántica utilizando moléculas cargadas como bits cuánticos, yNuevas herramientas de medición de precisión, como los relojes moleculares.
El proceso para hacer las moléculas comienza con una mezcla de gases de átomos de potasio y rubidio muy fríos confinados por un rayo láser. Al barrer un campo magnético sintonizado con precisión a través de los átomos, los científicos crean moléculas grandes, débilmente unidas que contienen un átomo de cada tipoEsta técnica fue iniciada por la colega de Ye, la fallecida Deborah Jin, en su demostración de 2003 del primer condensado de Fermi del mundo.
Para convertir estas moléculas relativamente esponjosas en moléculas fuertemente unidas sin calentar el gas, los científicos usan dos láseres que funcionan a diferentes frecuencias, cada una resonando con un salto de energía diferente en las moléculas, para convertir la energía de unión en luz en lugar de calor.Las moléculas absorben luz láser de infrarrojo cercano y liberan luz roja. En el proceso, el 90 por ciento de las moléculas se convierten a través de un estado de energía intermedio, al nivel de energía más bajo y más estable.
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Materiales proporcionado por Instituto Nacional de Estándares y Tecnología NIST . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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