El laboratorio más frío de Nueva York tiene una nueva oferta cuántica

Un nuevo BEC de moda en la ciudad no tiene nada que ver con tocino, huevo y queso. No lo encontrarás en tu bodega local, sino en el lugar más frío de Nueva York: el laboratorio físico de Columbia. Sebastián Willcuyo grupo experimental se especializa en llevar átomos y moléculas a temperaturas de apenas fracciones de grado por encima del cero absoluto.

Con la ayuda de microondas, los físicos de Columbia han creado un condensado de Bose-Einstein, un estado único de la materia, a partir de moléculas de sodio y cesio. Crédito de la imagen: The Will Lab/Myles Marshall

Escribiendo en Naturalezael laboratorio Will, apoyado por un colaborador teórico Tijs Karman en la Universidad de Radboud en los Países Bajos, ha creado con éxito un estado cuántico único de la materia llamado Condensado de Bose-Einstein (BEC) fuera de las moléculas.

Su BEC, enfriado a sólo cinco nanoKelvin, o alrededor de -459,66 °F, y estable durante dos segundos sorprendentemente largos, está hecho de moléculas de sodio y cesio. Al igual que las moléculas de agua, estas moléculas son polares, lo que significa que tienen carga tanto positiva como negativa. La distribución desequilibrada de la carga eléctrica facilita las interacciones de largo alcance que crean la física más interesante, señaló Will.

La investigación que el laboratorio Will está entusiasmado de realizar con sus BEC moleculares incluye la exploración de una serie de fenómenos cuánticos diferentes, incluidos nuevos tipos de superfluidez, un estado de la materia que fluye sin experimentar ninguna fricción. También esperan convertir sus BEC en simuladores que puedan recrear las enigmáticas propiedades cuánticas de materiales más complejos, como los cristales sólidos.

«Los condensados ​​moleculares de Bose-Einstein abren áreas de investigación completamente nuevas, desde la comprensión de la física verdaderamente fundamental hasta el avance de poderosas simulaciones cuánticas», dijo. «Este es un logro emocionante, pero en realidad es sólo el comienzo».

Es un sueño hecho realidad para el laboratorio Will y uno que lleva décadas desarrollándose para la comunidad de investigación ultrafría en general.

El laboratorio Will utiliza una serie de láseres y elementos ópticos como parte de sus experimentos de enfriamiento.

Moléculas ultrafrías, un siglo en desarrollo

La ciencia de los BEC se remonta a un siglo atrás, con los físicos Satyendra Nath Bose y Albert Einstein. En una serie de artículos publicados en 1924 y 1925, predijeron que un grupo de partículas enfriadas hasta casi detenerse se fusionarían en una superentidad única y más grande con propiedades y comportamientos compartidos dictados por las leyes de la mecánica cuántica. Si se pudieran crear BEC, ofrecerían a los investigadores una plataforma atractiva para explorar la mecánica cuántica a una escala más manejable que los átomos o moléculas individuales.

Pasaron unos 70 años desde aquellas primeras predicciones teóricas, pero los primeros BEC atómicos se crearon en 1995. El logro fue reconocido con el Premio Nobel de Física en 2001, justo en la época en que Will comenzaba su carrera de física en la Universidad de Mainz en Alemania. Los laboratorios ahora fabrican de forma rutinaria BEC atómicos a partir de varios tipos diferentes de átomos. Estos BEC han ampliado nuestra comprensión de conceptos como la naturaleza ondulatoria de la materia y los superfluidos y han llevado al desarrollo de tecnologías como los microscopios cuánticos de gases y los simuladores cuánticos, por nombrar algunos.

Pero los átomos son, en el gran esquema de las cosas, relativamente simples. Son objetos redondos y no suelen presentar interacciones que puedan surgir por polaridad. Desde que se crearon los primeros BEC atómicos, los científicos han querido crear versiones más complicadas a partir de moléculas. Pero incluso las moléculas diatómicas simples hechas de dos átomos de diferentes elementos unidos entre sí habían resultado difíciles de enfriar por debajo de la temperatura necesaria para formar un BEC adecuado.

El primer avance se produjo en 2008, cuando Deborah Jin y Jun Ye, físicos de JILA en Boulder, Colorado, enfriaron un gas de moléculas de potasio y rubidio hasta aproximadamente 350 nanoKelvin. Estas moléculas ultrafrías han demostrado ser útiles para realizar simulaciones cuánticas y estudiar colisiones moleculares y química cuántica en los últimos años, pero para cruzar el umbral BEC se necesitaban temperaturas aún más bajas.

En 2023, el laboratorio Will creó el primer gas ultrafrío de su molécula preferida, sodio-cesio, utilizando una combinación de enfriamiento por láser y manipulaciones magnéticas, similar al enfoque de Jin y Ye. Para pasar más frío, trajeron microondas.

Para enfriarlo, agregue microondas

Las microondas son una forma de radiación electromagnética con una larga historia en Columbia. En la década de 1930, el físico Isidor Isaac Rabi, que luego recibiría el Premio Nobel de Física, realizó un trabajo pionero sobre las microondas que condujo al desarrollo de sistemas de radar aerotransportados. «Rabi fue uno de los primeros en controlar los estados cuánticos de las moléculas y fue un pionero de la investigación de las microondas», dijo Will. «Nuestro trabajo sigue esa tradición de 90 años».

Si bien es posible que esté familiarizado con el papel de las microondas a la hora de calentar los alimentos, resulta que también pueden facilitar el enfriamiento. Las moléculas individuales tienden a chocar entre sí y, como resultado, forman complejos más grandes que desaparecen de las muestras. Las microondas pueden crear pequeños escudos alrededor de cada molécula que les impiden colisionar, una idea propuesta por Karman, su colaborador en Holanda. Con las moléculas protegidas contra colisiones con pérdidas, sólo las más calientes pueden eliminarse preferentemente de la muestra, el mismo principio físico que enfría tu taza de café cuando soplas por encima, explicó el autor Niccolò Bigagli. Las moléculas que queden estarán más frías y la temperatura general de la muestra descenderá.

El equipo estuvo cerca de crear BEC molecular el otoño pasado en un trabajo publicado en Física de la naturaleza que introdujo el método de protección contra microondas. Pero era necesario otro giro experimental. Cuando agregaron un segundo campo de microondas, el enfriamiento se volvió aún más eficiente y el sodio-cesio finalmente cruzó el umbral de BEC, un objetivo que el laboratorio Will había albergado desde su apertura en Columbia en 2018.

«Este fue un cierre fantástico para mí», dijo Bigagli, quien se graduó con su doctorado en física esta primavera y fue miembro fundador del laboratorio. «Pasamos de no tener un laboratorio instalado todavía a estos fantásticos resultados».

Además de reducir las colisiones, el segundo campo de microondas también puede manipular la orientación de las moléculas. Esto, a su vez, es un medio para controlar cómo interactúan, algo que el laboratorio está explorando actualmente. «Al controlar estas interacciones dipolares, esperamos crear nuevos estados y fases cuánticas de la materia», dijo el coautor y postdoctorado de Columbia, Ian Stevenson.

Se abre un nuevo mundo para la física cuántica

Ye, un pionero de la ciencia ultrafría con sede en Boulder, considera los resultados una hermosa pieza de ciencia. «El trabajo tendrá importantes repercusiones en varios campos científicos, incluido el estudio de la química cuántica y la exploración de materiales cuánticos fuertemente correlacionados», comentó. «El experimento de Will presenta un control preciso de las interacciones moleculares para dirigir el sistema hacia el resultado deseado: un logro maravilloso en la tecnología de control cuántico».

Mientras tanto, el equipo de Columbia está entusiasmado por tener una descripción teórica de las interacciones entre moléculas que hayan sido validadas experimentalmente. «Realmente tenemos una buena idea de las interacciones en este sistema, lo cual también es fundamental para los próximos pasos, como explorar la física dipolar de muchos cuerpos», dijo Karman. “Hemos ideado esquemas para controlar las interacciones, los hemos probado en teoría y los hemos implementado en el experimento. Ha sido realmente una experiencia increíble ver estas ideas para el ‘blindaje’ de microondas realizadas en el laboratorio”.

Hay docenas de predicciones teóricas que ahora se pueden probar experimentalmente con los BEC moleculares, que según señaló el coprimer autor y estudiante de doctorado Siwei Zhang, son bastante estables. La mayoría de los experimentos ultrafríos se llevan a cabo en un segundo (algunos tan cortos como unos pocos milisegundos), pero los BEC moleculares del laboratorio duran más de dos segundos. «Eso realmente nos permitirá investigar cuestiones abiertas en la física cuántica», afirmó.

Una idea es crear cristales artificiales con los BEC atrapados en una red óptica hecha de láseres. Esto permitiría poderosas simulaciones cuánticas que imitan las interacciones en los cristales naturales, señaló Will, que es un área de enfoque de la física de la materia condensada. Los simuladores cuánticos se fabrican habitualmente con átomos, pero los átomos tienen interacciones de corto alcance (prácticamente tienen que estar uno encima del otro), lo que limita su capacidad para modelar materiales más complicados. «El BEC molecular introducirá más sabor», dijo Will.

Eso incluye la dimensionalidad, dijo el coprimer autor y estudiante de doctorado Weijun Yuan. “Nos gustaría utilizar los BEC en un sistema 2D. Cuando se pasa de tres dimensiones a dos, siempre se puede esperar que surja nueva física”, afirmó. Los materiales 2D son un área importante de investigación en Columbia; Tener un sistema modelo hecho de BEC moleculares podría ayudar a Will y sus colegas de materia condensada a explorar fenómenos cuánticos que incluyen la superconductividad, la superfluidez y más.

«Parece que se está abriendo un mundo completamente nuevo de posibilidades», dijo Will.

Fuente: Universidad de Colombia