La colisión de átomos individuales conduce a un cambio doble en el momento angular

El profesor Widera (a la derecha) y Felix Schmidt investigan sistemas cuánticos. (Foto: Koziel/TUK)

Gracias a la nueva tecnología, es posible capturar átomos individuales, moverlos de manera controlada o cambiar su estado. También los físicos de Kaiserslautern trabajan con ella. En un estudio reciente, han investigado las consecuencias de la colisión de dos átomos en un campo magnético débil a baja temperatura. Por primera vez, han observado que los átomos, que llevan su momento angular en paquetes individuales (cuantos), intercambian dos paquetes en este proceso. También se demostró que la intensidad de la interacción entre los átomos puede controlarse. Esto es interesante, por ejemplo, para estudiar reacciones químicas. El trabajo ha sido publicado en la revista especializada Physical Review Letters.

Hasta hace pocas décadas, era impensable para el mundo de la física realizar experimentos con partículas atómicas individuales. Erwin Schrödinger, uno de los padres de la teoría cuántica moderna, esperaba que esta idea tuviera "consecuencias ridículas" y la calificaba como tan probable como criar un dinosaurio Ictiosaurio en el zoológico. Sin embargo, los avances en la tecnología láser y en la física atómica hoy en día hacen posibles experimentos con átomos individuales.

En la Universidad Técnica de Kaiserslautern (TUK), también se ocupan de ello físicos como el profesor Artur Widera y su doctorando Felix Schmidt en el área de Sistemas Cuánticos Individuales. Utilizan un llamado condensado de Bose-Einstein, compuesto por átomos de rubidio. "En física, esto se refiere a un estado de la materia que es comparable a los estados líquido y gaseoso. Sin embargo, un condensado así es un estado cuántico perfecto, que se comporta como una onda", explica el profesor Widera. El condensado es comparable a un gas formado por muy pocos átomos.

En un estudio reciente, junto con el profesor Eberhard Tiemann de la Universidad Leibniz de Hannover, investigaron qué efectos ocurren cuando un átomo de cesio individual choca con un átomo de rubidio. Para observar las partículas, los investigadores primero deben enfriarlas a temperaturas justo por encima del cero absoluto. "Luego, hemos puesto los átomos en contacto mediante una pinza óptica", dice Felix Schmidt. Aquí, los átomos se mantienen en su lugar con haces láser. Los investigadores introdujeron un átomo de cesio en el gas de rubidio para medir qué sucede antes y después de la colisión.

Los físicos observaron cómo cambian el momento angular de las partículas durante la colisión, midiendo el estado del átomo de cesio antes y después del impacto. El momento angular de las partículas en los átomos se encuentra, por así decirlo, en paquetes individuales — llamados cuantos elementales. Los investigadores vieron que, en una sola colisión, los átomos pueden intercambiar dos de estos cuantos de momento angular a la vez. Hasta ahora, solo se había observado el intercambio de un solo paquete (cuanto). "Esto solo es posible porque realizamos el experimento en un campo magnético débil", explica Schmidt. De esta manera, la energía de los átomos es tan baja que la interacción entre los componentes individuales de ambos determina principalmente el resultado de la colisión. "Por eso, es posible que ocurran simultáneamente dos transferencias de cuantos elementales, es decir, un doble cambio en el momento angular", continúa el físico.

Además, los científicos observaron otro efecto. "El campo magnético débil y la baja energía de movimiento hacen que los átomos interactúen incluso a una distancia mil veces mayor que su tamaño", continúa Schmidt. Si se ajusta de manera controlada la intensidad del campo magnético, también se podría controlar este efecto. Este fenómeno está directamente relacionado con un estado molecular muy grande y débilmente unido entre las dos partículas. "De manera indirecta, pudimos observar así una molécula enorme de aproximadamente dos micrómetros de tamaño", dice Schmidt.

Estos conocimientos sobre la interacción entre partículas a energías muy bajas pueden, por ejemplo, ayudar a estudiar enlaces en moléculas. Estas deben estar formadas por al menos dos átomos que se unen mediante interacciones. Esto permitiría, entre otras cosas, preparar y estudiar moléculas muy grandes.

El estudio fue publicado en la prestigiosa revista especializada Physical Review Letters: "Colisiones de átomos individuales a energías ultrabajas".
DOI: 10.1103/PhysRevLett.122.013401
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.122.013401

Responder a las preguntas:

Prof. Dr. Artur Widera
Área de Sistemas Cuánticos Individuales
Correo electrónico: widera(at)physik.uni-kl.de
Tel.: 0631 205-4130

Felix Schmidt
Correo electrónico: schmidtf(at)physik.uni-kl.de
Tel.: 0631 205-5272

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