Una molécula «gigante» de sólo dos átomos separados por 100 nanómetros

Por Francisco R. Villatoro, el 22 abril, 2009. Categoría(s): Ciencia • Física • Mecánica Cuántica • Nanotecnología • Noticias • Physics • Science ✎ 2

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Un átomo de rubidio tiene un radio de 0.25 nm (nanómetros). Fabricar una molécula artificial con dos átomos de rubidio separados 100 nm (400 veces su radio) parece imposible. Aunque sólo existe a 3.5 microkelvins, es más grande que un virus pequeño. El enlace entre los átomos no es ni covalente ni iónico, es un enlace de Rydberg, que es extremadamente débil, con una energía de ligadura menor de 4 milmillonésimas de electrón-voltio. Todo un logro de las tecnologías de ultrafrío actuales. ¿Para qué servirá? Para estudiar ciertos efectos cuánticos a una escala «grande.» Nos lo cuenta Chris H. Greene, «Quantum chemistry: The little molecule that could,» Nature 458: 975-976, 23 April 2009 , haciéndose eco del artículo técnico de Vera Bendkowsky, Björn Butscher, Johannes Nipper, James P. Shaffer, Robert Löw, Tilman Pfau, «Observation of ultralong-range Rydberg molecules,» Nature 458: 1005-1008, 23 April 2009 .

Cada átomo en la nueva molécula está excitado con un electrón en un nivel de energía con un número cuántico principal muy alto (n=35 en la figura de arriba), es decir, con un electrón que se encuentra  muy alejado del núcleo. A estos átomos se les denomina «átomos de Rydberg.» Gracias a fuerzas cuánticas dos electrones tan alejados del núcleo pueden aparearse lo que provoca un pozo de potencial que atrapa a los átomos. Dichos átomos no están estáticos sino que vibran acercándose y alejándose en un delicado «baile» que produce la molécula diatómica con una distancia en el momento más alejado «enorme» (recuérdese que un enlace covalente entre dos átomos ronda entre 0.05 y 0.2 nm, salvo en el dímero helio-helio que excepcionalmente alcanza los 10 nm).

Los enlaces de Rydberg son el resultado de las fuerzas «pseudopotenciales de rango nulo» predichas por Enrico Fermi en 1934, que permiten un enlace no mediado por fuerzas electrostáticas. Este tipo de fuerzas han sido observadas en gases cuánticos degenerados a temperaturas de nanokelvin, cuando las partículas del gas tienen una longitud de onda de de Broglie muy grande. Sin embargo, es difícil verificar la teoría de Fermi con precisión. La nueva molécula resuelve dicho problema ya que permite estudiar dichos pseudopotenciales en un entorno mucho más controlado que un gas cuántico. Bendkowsky et al. en su artículo han confirmado los modelos teóricos de Fermi. Otra demostración más de la genialidad de uno de los grandes físicos del siglo XX, pocos han sido tan bueno en la teoría como en el experimento como él.

¿Se podrán fabricar moléculas de tres o más átomos con enlaces de Rydberg? Los autores creen que sí. Estas exóticas moléculas de rubidio ahora sólo tienen aplicaciones técnicas (verificar la teoría cuántica). Quizás en un futuro no muy lejano también se descubran aplicaciones prácticas en computación cuántica o en nanotecnología, ahora mismo, inimaginables. La física de temperaturas ultrabajas no deja de sorprendernos.



2 Comentarios

  1. Acabo de releer la noticia y he reparado en que el valor de n del par de e- del enlace es «SÓLO» de 35:.

    ¿No deberían tener los electrones de valencia valores de n >= 37 que es el número atómico del Rb?

  2. Antonio, te voy a suspender en química … ¿has estudiado alguna vez la estructura electrónica de los elementos? ¿Has visto el rubidio en alguna tabla periódica de los elementos? El rubidio está en la quinta fila y su estructura electrónica es (Kr)5s1, luego el número cuántico principal de su electrón de valencia es n=5. En el estado de Rydberg alcanzado en el artículo han logrado excitarlo hasta (Kr) 35s1 (alfo fácil enfriando) y aparearlo con otro (lo difícil del artículo publicado en Nature).

    Valores de n muy grandes se han observado muchas veces en átomos de hidrógeno, que incluso llegan a tener un tamaño cercano a un metro (eso sí en condiciones experimentales de ultrafrío). Incluso se han llegado a observar sus líneas espectrales astronómicamente.

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