El primer condensado de Bose-Einstein de moléculas

Por Francisco R. Villatoro, el 7 junio, 2024. Categoría(s): Ciencia • Física • Nature • Noticias • Physics • Science ✎ 3

El premio Nobel de Física de 2001 se otorgó a la formación en 1995 de los primeros condensados de Bose–Einstein (BEC) de átomos de rubidio (Cornell y Wieman) y de sodio (Ketterle). La clave fueron las técnicas criogénicas de enfriamiento evaporativo, que atrapan los átomos en un pozo de potencial cuya profundidad se reduce de forma gradual para que se evaporen las moléculas con mayor energía cinética. Desde entonces se ha intentado lograr un BEC molecular; el primer gran paso se publicó en Science en 2008, el enfriamiento de un gas de rubiduro de potasio, KRb, a 350 nK (nanokelvins), usando la técnica STIRAP (STImulated Raman Adiabatic Passage). Tras muchos intentos fallidos, ahora se publica en Nature el primer BEC molecular de cesiuro de sodio, NaCs, formado por unas 250 moléculas enfriadas a 6 ± 2 nK que se mantiene durante 1.8 ± 0.1 segundos (tiempo en el que se van perdiendo moléculas hasta que su número es inferior a unas 100 y el BEC se desaparece). Todo un alarde técnico ha sido necesario para enfriar unas 30 000 moléculas de NaCs desde una temperatura de 700 ± 50 nK a tan solo 6 ± 2 nK en unos 3 segundos. Un hito que espero que muchos otros logren replicar en el próximo año.

El secreto ha sido un sistema de apantallamiento por microondas que suprime las pérdidas colisionales de forma muy eficaz, tanto las colisiones entre dos cuerpos como las colisiones entre tres cuerpos. La idea es aprovechar la estructura dipolar de la molécula de NaCs para inducir una fuerza repulsiva entre moléculas que evite las colisiones y reduzca las pérdidas. Se usan dos campos de microondas, uno con polarización circular σ+ y otro con polarización lineal π; ambos inducen dipolos en las moléculas, con lo que aparecen fuerzas dipolares entre ellas. Grosso modo, las inducidas por π son fuerzas atractivas, mientras que las inducidas por σ+ son repulsivas, con lo que se logra un tira y afloja entre ellas que permite seguir enfriando las moléculas sin grandes pérdidas hasta que se alcanza la temperatura a la que se produce la transición de fase al estado BEC.  Esta idea no es del toda novedosa, pero se ha logrado que funcione de forma exquisita, gracias a un diseño basado en un modelo teórico no publicado; los autores prometen publicarlo en un futuro cercano. De hecho, la ausencia de este modelo en el artículo en Nature penaliza la replicabilidad a corto plazo del resultado logrado; y no lo digo yo, sino que aparece dicho en el informe de revisión por pares [PDF], donde se puede leer que dos revisores solicitaron consultar dicho modelo teórico, pero los autores se negaron con la excusa de que el manuscrito que lo presenta aún está en preparación. En cualquier caso, no tengo dudas sobre la replicabilidad del resultado obtenido una vez se publique el modelo teórico.

En cuanto a las aplicaciones, no hay ninguna diferencia conceptual entre un BEC atómico y un BEC molecular, así que serán las mismas en ambos casos. Quizás lo más relevante del nuevo trabajo es la técnica de enfriado, con un exquisito control de las pérdidas colisionales; esta técnica criogénica tendrá aplicaciones en ciencia básica, por ejemplo, en los intentos de observar la radiación de Hawking y en la búsqueda de la supersolidez. El artículo es Niccolò Bigagli, Weijun Yuan, …, Sebastian Will, «Observation of Bose–Einstein condensation of dipolar molecules,» Nature (03 Jun 2024), doi: https://doi.org/10.1038/s41586-024-07492-z; más información divulgativa en Elizabeth Gibney, «Physicists coax molecules into exotic quantum state — ending decades-long quest,» Nature (03 Jun 2024), doi: https://doi.org/10.1038/d41586-024-01662-9.

Para el público general, mejor dicho, para los periodistas científicos, lo único interesante son las aplicaciones prácticas potenciales. La revista Nature Physics ha publicado un reciente número especial dedicado a aplicaciones de la criogenia molecular, «Cold and Ultracold Molecules,» Insight, Nature Physics (16 May 2024), https://www.nature.com/collections/afddaaddch. Lo introduce Leonardo Benini, «Cold and ultracold molecules,» Nature Physics 20: 701 (16 May 2024), doi: 10.1038/s41567-024-02520-1. Contiene cinco artículos de revisión de aplicaciones (sobre todo en ciencia básica): Tim Langen, Giacomo Valtolina, …, Jun Ye, «Quantum state manipulation and cooling of ultracold molecules,» Nature Physics 20: 702-712 (16 May 2024), doi: 10.1038/s41567-024-02423-1; Markus Deiß, Stefan Willitsch, Johannes Hecker Denschlag, «Cold trapped molecular ions and hybrid platforms for ions and neutral particles,» Nature Physics 20: 713-721 (16 May 2024), doi: 10.1038/s41567-024-02440-0; Tijs Karman, Michał Tomza, Jesús Pérez-Ríos, «Ultracold chemistry as a testbed for few-body physics,» Nature Physics 20: 722-729 (16 May 2024), doi: 10.1038/s41567-024-02467-3; Simon L. Cornish, Michael R. Tarbutt, Kaden R. A. Hazzard, «Quantum computation and quantum simulation with ultracold molecules,» Nature Physics 20: 730-740 (16 May 2024), doi: 10.1038/s41567-024-02453-9; y David DeMille, …, Ana Maria Rey, Tanya Zelevinsky, «Quantum sensing and metrology for fundamental physics with molecules,» Nature Physics 20: 741-749 (16 May 2024), doi: 10.1038/s41567-024-02499-9.

La gran contribución del nuevo artículo es la nueva técnica de enfriamiento evaporativo eficiente, que aplica un apantallamiento (shielding) por microondas: los dos campos de microondas colocan a las moléculas en un estado revestido (dressed) que evita sus colisiones y protege el conjunto de las pérdidas colisionales. Como ya he comentado, la dificultad para lograr este revestimiento apantallador es que al inducir fuerzas interdipolares que suprimen las colisiones entre dos cuerpos, aparecen interacciones que favorecen las colisiones entre tres cuerpos, y viceversa. En concreto, las microondas con polarización circular σ+ inducen un estado de superposición cuántica de estados energéticos rotacionales de los momentos dipolares de las moléculas; a distancias cortas aparece una fuerza repulsiva (caracterizada por una escala de distancias as) que actúa como una barrera que impide las colisiones entre dos cuerpos (cuanto más intenso es el campo de microondas más se reducen las pérdidas por este tipo de colisiones). Pero para grandes distancias intermoleculares (as > 2000 a0, el radio de Bohr) se observa un pozo de potencial atractivo; dicho pozo conduce a la aparición de estados ligados asociados a la recombinación entre tres cuerpos; por ello se incrementan las pérdidas asociadas a colisiones entre tres cuerpos.

Para suprimir pérdidas a tres cuerpos se pueden usar las microondas con polarización lineal π, que inducen un estado de superposición cuántica de estados energéticos longitudinales, introduciendo otra fuerza repulsiva dipolar (caracterizada por una escala de distancias add) que puede compensar la interacción atractiva a largas distancias as; así se evitan las interacciones a tres cuerpos, pero se afecta de forma negativa a la fuerza repulsiva a corta distancia as. En teoría, un ajuste fino de ambas fuerzas, combinando de forma adecuada los efectos de σ+ y de π, podría suprimir ambos tipos de pérdidas si se pudiera lograr que add / as ≲ 1. Por desgracia, hasta ahora, todos los intentos han sido fallidos porque dicha relación es casi imposible de obtener con los valores experimentales habituales de add entre 10 000 a0 y 25 000 a0, y los de as del orden de los 2000 a0. Sin embargo, el nuevo análisis teórico del origen de estas fuerzas dipolares para las moléculas de NaCs ha permitido ajustar los parámetros de la irradiación de microondas para lograr valores de add ≈ 1300 a0 y de as ≈ 1500 a0, que permiten el soñado add / as ≲ 1. Por desgracia, el cálculo detrás de este ajuste fino aún no ha sido publicado, por lo que no sabemos si se también se podrá lograr con otras moléculas polares.

Como suele ser habitual se ha ilustrado la transición de fase del gas de moléculas a un BEC molecular usando imágenes de absorción. En la figura que abre esta pieza (vuelve a ojearla) se observa una nube térmica a la izquierda a 41 ± 5 nK, un estado parcialmente condensado en el centro a 9 ± 4 nK y un estado condensado casi puro a 6 ± 2 nK (la escala para la barra blanca son 20 μm). Para obtener estas imágenes se elimina la trampa que atrapa a la nube de moléculas y se observa la distribución de velocidades de las moléculas tras unos 17 milisegundos (de hecho, en las imágenes se presenta el promedio de 20 imágenes individuales). En el estado térmico las moléculas se encuentran en diferentes estados energéticos con velocidades distribuidas en un amplio rango; por ello, la nube térmica presenta una distribución redondeada en la imagen, que es independiente de la forma alargada del potencial cuadripolar que atrapa a las moléculas. En el estado BEC se observa una distribución bimodal, por un lado un fondo de moléculas en estado térmico con forma redondeada (color celeste y verde) y en su centro un estado BEC con forma alargada (la misma que la trampa) con un gran pico (colores naranja y rojo).

En el BEC todas las moléculas se encuentran en su estado energético fundamental en el que todas las moléculas son indistinguibles entre sí y se están descrita por una función de onda cuántica común. Por ello su distribución de velocidades está muy concentrada, aunque sujeta al principio de indeterminación de Heisenberg, Δx Δvx ≥ ħ/2 y Δy Δvy ≥ ħ/2. La forma asimétrica del potencial cuadripolar, Δx < Δy, implica que Δvx < Δvy, con lo que se produce una expansión anisotrópica del BEC, que se alarga en la dirección y (como ilustra la figura de la izquierda). Esta imagen de absorción alargada es la señal distintiva de la presencia del BEC. Por desgracia, la vida media del BEC es muy corta, como se ilustra la figura de la derecha; un estado BEC con unas 250 moléculas va reduciendo su número durante 1.8 segundos hasta unas 100 moléculas, momento en que se recupera la simetría circular en la imagen de absorción y se considera que el estado ha dejado de ser de tipo BEC. Sin lugar a dudas, en los próximos años se lograrán BEC moleculares con un mayor número de moléculas que permitirán que la vida media del BEC sea mucho más larga (algo imprescindible para su uso en aplicaciones en ciencia básica).



3 Comentarios

  1. Vaya, estaba esperando este post porque me dejo intrigado lo del directo y no sabia cual podia ser la respuesta de como se aplicaba en esta situacion el principio de incertidumbre. La respuesta es que es una singula funcion de onda, no me lo esperaba! 🙂 Entonces seria muy muy interesante ver como podria evolucionar la entropia del sistema si se lograse hacer que fuese hasta cierto punto adiabatico (no se puede totalmente por Heisenberg, supongo…). Si se agrandara o si se encogiera…la entropia aumentaria siempre? Que curioso! 🙂 Gracias!

    1. Thomas, en el estado BEC todas las moléculas se encuentran en su estado fundamental (mínima energía), luego su entropía es mínima. El BEC no es un sistema cerrado en equilibrio, por lo que pierde moléculas al entorno, con lo que su entropía decrece. No es posible la evolución adiabática del BEC, pues es un sistema abierto fuera del equilibrio; si fuera posible (un hipotético BEC como sistema cerrado en equilibrio), la entropía se mantendría constante (como en la evolución unitaria de todo sistema cuántico).

  2. Gracias! Claro, el BEC puede reducir localmente su entropia pero en su conjunto el sistema incrementa su entropia: hay que considera la energia que se utiliza para las microondas… 🙂 A ver si a nivel experimental ese condensado puede darnos alguna sorpresita ejej! 🙂

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