Los investigadores observan estados unidos exóticos en moléculas polares ultrafrías por primera vez

Un equipo de investigadores del Instituto Max Planck de Óptica Cuántica (MPQ) en Garching ha observado por primera vez evidencia de un fenómeno que anteriormente solo se sospechaba: una teoría predice que pueden surgir estados unidos exóticos cuando colisionan moléculas polares ultrafrías.

Los cambios visibles en las propiedades de colisión ahora indican en el experimento que este efecto es posible. Para sus investigaciones, los investigadores utilizaron un campo de microondas de forma específica con el que pueden influir directamente en la interacción de varias fuerzas entre las partículas.

De esta manera, se pueden formar «supermoléculas»: construcciones comparativamente grandes y débilmente unidas que pueden ser controladas por el campo de un microondas y cuya existencia afecta la dinámica de colisiones entre moléculas no unidas. Con los nuevos resultados, el equipo creó una herramienta experimental versátil para generar formas exóticas de materia cuántica a partir de moléculas ultrafrías. El artículo se publica esta semana en Naturaleza.

Hace unos 20 años, el científico estadounidense John Bohn y sus colegas predijeron, basándose en cálculos y consideraciones teóricas, una peculiaridad novedosa de las moléculas: si las moléculas llevan una carga distribuida asimétricamente (los físicos se refieren a esto como polaridad), pueden combinarse en un campo eléctrico. para formar «supermoléculas» débilmente unidas.

Pero una confirmación experimental de la predicción no estaba disponible, hasta ahora. Un equipo de investigadores del Instituto Max Planck de Óptica Cuántica (MPQ) en Garching descubrió ahora los primeros indicios de la existencia de tales construcciones, que son enormes en comparación con otras moléculas. Los investigadores irradiaron un gas ultrafrío de moléculas dipolares con un campo de microondas deformable y descubrieron que las propiedades del gas cambiaban mucho, precisamente en los parámetros de campo en los que deberían formarse las «supermoléculas».

«Cuando dos moléculas polares se encuentran, se comportan un poco como dos agujas de brújula», explica el Dr. Xin-Yu Luo, quien dirige el equipo de MPQ. «Bajo la influencia del campo magnético de la Tierra, ambas agujas apuntan al norte. Las agujas alineadas en paralelo de esta manera se repelen entre sí. Sin embargo, si acercas las agujas lo suficiente, la fuerza que actúa entre ellas supera el efecto del campo magnético de la Tierra. Esto permite que las agujas se alineen para que apunten entre sí y así se atraigan».

Dos moléculas polares experimentan una interacción similar de diferentes fuerzas opuestas cuando se acercan en un campo eléctrico externo. «La interacción resultante puede conducir a repulsión o atracción entre los dipolos eléctricos moleculares», dice el físico de Garching. El factor crucial es qué estado cuántico ocupan las dos moléculas.

Cambio drástico de fuerzas

La teoría predice que en los ajustes adecuados del campo eléctrico, los dos socios se conectan entre sí a una cierta distancia. Por un corto tiempo, se crea una «molécula ligada a un campo», una construcción que puede ser hasta varios cientos de veces más grande que una sola molécula no ligada. Si los parámetros del campo eléctrico se cambian un poco en el valor crítico, las fuerzas entre las moléculas individuales cambian drásticamente. Los científicos se refieren a esto como un fenómeno de resonancia, al que llaman «resonancia ligada al campo».

En el experimento, el equipo de MPQ también descubrió que las propiedades de colisión de las moléculas de sodio y potasio podrían alterarse ajustando la frecuencia o la forma del campo de microondas. Por lo tanto, los investigadores perturbaron el gas molecular con una onda estacionaria de luz láser y observaron la rapidez con que la perturbación desaparecía nuevamente a través de las colisiones entre las moléculas.

«Encontrar perillas de ajuste con las que podamos controlar la interacción entre moléculas ultrafrías es extremadamente importante para nosotros, los físicos cuánticos», explica Xing-Yan Chen, quien hace su Ph.D. en este experimento. «Para los átomos ultrafríos, los métodos apropiados existen desde hace muchos años, mientras que, para las moléculas polares ultrafrías complejas, hasta ahora faltaba una técnica aplicable universalmente».

Campos rotativos

Aunque la teoría subyacente es ampliamente aceptada, hasta ahora no había sido posible observar tales resonancias en experimentos. «Se asumió que se requerirían intensidades de campo extremadamente altas para formar una molécula ligada al campo», explica el Dr. Andreas Schindewolf, otro investigador del equipo. «El campo de microondas aplicado generalmente gira en un círculo como la manecilla de un reloj».

Los científicos habían utilizado dicho campo en 2022 para estabilizar moléculas ultrafrías, creando las moléculas dipolares más frías del mundo. «Sorprendentemente, descubrimos que una deformación no intencional del campo de microondas, como una transición a un reloj con un dial elíptico, indujo el comportamiento de resonancia», informa Schindewolf.

Impulsados ​​por esta observación, los investigadores desarrollaron una antena de microondas especial para deformar el campo de forma controlada y así caracterizar la resonancia. «Junto con el profesor Tijs Karman de la Universidad de Radboud en los Países Bajos, pudimos reproducir nuestras mediciones de resonancia con cálculos teóricos y así probar la existencia de dos estados moleculares ligados al campo», señala el físico de Max Planck.

Generando materia cuántica exótica

«Con la capacidad de controlar la interacción entre las moléculas polares a través de las resonancias vinculadas al campo, ahora podemos generar experimentalmente materia cuántica exótica», se complace en decir Xin-Yu Luo. Esto debería permitir en el futuro impartir propiedades superfluidas a un gas molecular.

«Se podrían obtener más conocimientos sobre cómo se emparejan las partículas en un superfluido o superconductor», está convencido Luo. «Las resonancias vinculadas al campo también podrían permitir la realización de los llamados suprasólidos con moléculas, un estado que exhibe simultáneamente propiedades de un superfluido y un sólido».

En última instancia, los investigadores de MPQ tienen como objetivo utilizar las resonancias para combinar específicamente moléculas individuales en moléculas vinculadas a campos para que puedan estabilizar las supermoléculas y explotar sus exóticas propiedades cuánticas.