Las moléculas Enfriadas Cerca del Cero Absoluto Acaban de Romper un Nuevo Récord Físico
Un proceso de enfriamiento de dos pasos que utiliza láseres ha permitido a los físicos empujar moléculas de monofluoruro de calcio a una temperatura baja récord, rompiendo una barrera que hasta ahora ha sido intransitable.
Hace décadas, enfriar átomos individuales hasta casi el cero absoluto abrió un nuevo mundo de investigación para los físicos de partículas. Este último avance también podría proporcionar un terreno fértil para aprender más sobre cómo se comportan los átomos cuando se unen como moléculas.
El proceso detrás del enfriamiento de registros realizado por investigadores del Centro de Materia Fría del Imperial College de Londres no es tan diferente de los utilizados para enfriar átomos.
Una partícula en movimiento es una partícula caliente, lo que significa que para enfriar un átomo o una molécula, simplemente necesita ralentizar su zumbido.
Una forma de hacer esto es aprovechar la forma en que los átomos absorben y emiten cuantos de luz, potencialmente perdiendo algo de impulso en el proceso.
Un láser sintonizado a una frecuencia particular está dirigido a átomos atrapados en un espacio confinado por un campo magnético.
Si el átomo se aleja de la luz, la frecuencia que experimenta es Doppler desplazada ligeramente hacia el extremo rojo del espectro. Si la partícula se está moviendo hacia el haz, la frecuencia que la golpea se desplaza hacia el extremo azul.
Obtener esa frecuencia correctamente significa que los átomos que se mueven en el láser a una velocidad dada pueden absorber un fotón de luz. Esto eleva uno de sus electrones a un nuevo nivel de energía, que luego emite un fotón en una dirección aleatoria cuando desciende.
Extendida sobre las partículas, esta emisión de fotones significa una disminución general en el momento de los átomos, ralentizándolos gradualmente.
Este proceso llamado enfriamiento Doppler solo puede obtener partículas tan frías, ya que la energía perdida por la emisión de fotones se equilibra con la energía que los átomos reciben en la trampa.
Los átomos individuales se pueden enfriar más allá de este llamado límite Doppler con varias otras técnicas, lo que permite a los físicos alcanzar temperaturas alucinantes de solo 50 billones de grados kelvin, o 0,0000000005 grados por encima del cero absoluto.
Pero hasta ahora los físicos solo han logrado forzar a los átomos a hacer moléculas mientras se enfriaban, o enfriar las moléculas existentes de fluoruro de estroncio a temperaturas por encima del límite Doppler.
Unidos en sistemas más complejos, los átomos simplemente no responden de manera tan confiable a los mismos trucos de enfriamiento.
Para superar los límites, los investigadores mantuvieron un montón de moléculas de monofluoruro de calcio en su lugar mediante una combinación de campos magnéticos y láseres llamada trampa magneto-óptica.
Esto fue suficiente para llevarlos al límite Doppler. Para superarlos, los investigadores utilizaron una segunda técnica llamada enfriamiento de Sísifo.
Si recuerdas tus mitos griegos, el rey Sísifo era el alma condenada que se vio obligada a empujar eternamente una roca por una montaña solo para que rodara por el otro lado, todo porque era el tipo de gobernante al que le gustaba asesinar a sus invitados.
Esta rutina de ejercicios infinitos es justo el tipo de cosa para eliminar partículas de su energía.
En lugar de una montaña, los físicos utilizan un par de láseres opuestos polarizados de tal manera que fuerzan a una partícula a subir por una colina de energía, perdiendo impulso en el proceso.
Esto permitió a los investigadores arrastrar el monofluoruro de calcio a temperaturas de 50 microkelvin, o 50 millonésimas de grado por encima del cero absoluto.
Eso está muy lejos de lo fríos que podemos hacer átomos individuales, pero es mejor que el registro anterior de 400 microkelvin logrado con moléculas de fluoruro de estroncio.
La pared de temperatura teórica del cero absoluto es como la paradoja de la física de partículas de Zenón: solo podemos cortar una fracción de la energía de una partícula en movimiento, por lo que es una imposibilidad matemática que una partícula no pueda tener calor.
Pero estirarnos hacia ese objetivo infinito nos ha permitido estudiar partículas con un detalle sin precedentes, mostrando nuevos comportamientos extraños y permitiéndonos estudiar cómo surgen las fuerzas que las mantienen unidas en primer lugar.
Sin duda, este nuevo límite ayudará a ampliar nuestro conocimiento sobre cómo funciona la química a un nivel fundamental.
Esta investigación fue publicada en Nature Physics.
