Físicos de Kaiserslautern modifican la interacción atómica en materia ultrafría

La imagen muestra una nube ultracongelada de átomos de rubidio (rojo) en el experimento en la TUK. (Foto: TUK/AG Ott)

Los físicos de la Universidad Técnica de Kaiserslautern (TUK), dirigidos por el profesor Dr. Herwig Ott, han logrado por primera vez modificar la interacción entre dos átomos en materia ultrafría mediante el uso de llamadas moléculas de Rydberg. Estas moléculas de gran tamaño, descubiertas recientemente, están formadas por solo dos átomos, cuyo mecanismo de unión no puede describirse con los modelos químicos habituales. Poseen propiedades extraordinarias, como una longitud de enlace muy grande. El estudio ha sido publicado en la prestigiosa revista especializada "Nature Communications".

Las interacciones son los constructores fundamentales de nuestro mundo. No solo en la vida social, sino también en la materia que nos rodea. A principios del siglo XX, el físico Ernest Rutherford observó que incluso el oro está compuesto en más del 99 por ciento por nada. Solo la interacción de partículas individuales hace que la materia sea lo que es. Es la responsable de que nuestro mundo se mantenga unido en su núcleo.

Esto no solo se aplica a nuestro mundo cotidiano, sino también al mundo de la física cuántica. Para investigar fenómenos cuánticos, los físicos a menudo utilizan gases atómicos ultrafríos. "Aquí, las temperaturas rondan el cero absoluto, aproximadamente -273 grados Celsius", dice el profesor Dr. Herwig Ott, quien investiga en la TUK sobre gases cuánticos ultrafríos y óptica cuántica de átomos. "El comportamiento de estos gases atómicos está determinado por la interacción entre los átomos." Los expertos también hablan en este contexto de un proceso de dispersión mecánico-cuántico. "Para la ciencia, estos gases son de gran importancia en la investigación de efectos cuánticos, porque estas interacciones pueden modificarse en el laboratorio", continúa el profesor.

En la materia que nos rodea en la vida cotidiana, generalmente no es así. "Por ejemplo, las moléculas de agua en un vaso siempre tienen la misma interacción, y la pregunta de qué propiedades tendría el agua si las moléculas de agua se atrajeran el doble, no puede responderse experimentalmente", explica el físico.

Ahora, los científicos dirigidos por el profesor Ott han logrado por primera vez modificar la interacción entre átomos ultrafríos mediante el uso de llamadas moléculas de Rydberg. La idea para el experimento: dos átomos que colisionan se colocan temporalmente en un estado que corresponde a una molécula mediante un rayo láser. "De esta manera, permanecen más tiempo juntos", explica el profesor. "Esto modifica el proceso de dispersión mecánico-cuántico entre los dos átomos y, por tanto, también la interacción entre ellos."

En el experimento, los investigadores de Kaiserslautern pudieron observar esto: construyeron una molécula de Rydberg a partir de dos átomos de rubidio. Este tipo de moléculas fue descubierto hace solo unos años. Se trata de moléculas que pueden ser tan grandes como virus, pero que constan solo de dos átomos. Normalmente, las moléculas formadas por dos átomos son mucho más pequeñas. En contraste con los enlaces conocidos hasta ahora, donde, por ejemplo, dos átomos comparten un electrón, aquí actúa un mecanismo diferente: un electrón tiene una unión muy débil con el núcleo del átomo y se encuentra en una órbita electrónica externa, en un estado llamado estado de Rydberg. El segundo átomo experimenta ahora una interacción mecánico-cuántica con el electrón, formando una unión débil entre los dos átomos.

"Estas moléculas se caracterizan por una serie de propiedades extraordinarias", dice el profesor, "como su longitud de enlace extremadamente grande, de algunos cientos de nanómetros, y sus momentos dipolares eléctricos muy grandes." La ciencia entiende por ello que las moléculas pueden tener una carga positiva y negativa separadas en el espacio.

Los resultados de los científicos de Kaiserslautern permiten, por un lado, modificar la interacción en casi cualquier gas ultrafrío. Por otro lado, también abren nuevas posibilidades de aplicación, como el control directo de las interacciones entre múltiples partículas. "Pero también se pueden inducir interacciones con rangos más largos de lo que era posible hasta ahora", menciona el físico como ejemplo adicional. "Esto podría permitir en el futuro la realización de nuevos estados de la materia en gases ultrafríos."

El estudio fue publicado en la prestigiosa revista "Nature Communications": "Realización experimental de una resonancia óptica de Feshbach de Rydberg en un sistema cuántico de muchos cuerpos"; O. Thomas, C. Lippe, T. Eichert & H. Ott
DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-018-04684-w

El trabajo fue financiado por el Centro de Investigación en Óptica y Ciencias de Materiales, conocido como OPTIMAS, la escuela de posgrado "Ciencia de Materiales en Mainz" (MAINZ), y las dos áreas de investigación especial "Sistemas de Materia Condensada con Interacciones de Muchos Cuerpos Variables" y "OSCAR - Control de Sistemas Abiertos de Materia Atómica y Fotónica".