* Este contenido fue producido por expertos del Instituto Weizmann de Ciencias, uno de los centros más importantes del mundo de investigación básica multidisciplinaria en el campo de las ciencias naturales y exactas, situado en la ciudad de Rehovot, Israel.
Cuando dos partículas chocan, normalmente salen despedidas en direcciones opuestas, como bolas de billar sobre una mesa lisa. Pero en un experimento de física en el Instituto Weizmann de Ciencias, en lugar de salir despedidas, las partículas parecieron participar en una especie de ballet de bolas de billar después de la colisión. Las dos (una, un átomo y la otra, un ion, un átomo con carga eléctrica) actuaron como si estuvieran conectadas entre sí por un resorte largo e invisible, acercándose y luego separándose en un repetido pas de deux.
“Descubrimos por primera vez esta sorprendente interacción entre un átomo y un ion en simulaciones por computadora, pero solo nos convencimos de que era real después de observarla en experimentos reales”, dice el estudiante de doctorado Meirav Pinkas, quien dirigió este proyecto de investigación en el laboratorio del profesor Roee Ozeri en el Departamento de Física de Sistemas Complejos de Weizmann.
Pinkas explica que el objetivo original de este experimento era observar nuevos efectos cuánticos. Muchos experimentos anteriores habían examinado los efectos cuánticos en colisiones ultrafrías entre átomos o entre iones, pero muy pocos habían emparejado átomos e iones, ya que explorar las interacciones entre un átomo y un ion es técnicamente bastante complicado. Sin embargo, estas interacciones son de gran interés, en parte porque arrojan luz sobre la química a temperaturas muy bajas, el tipo de química que se produce, por ejemplo, en el espacio interestelar. El laboratorio de Ozeri está bien equipado para afrontar el desafío gracias a su dilatada experiencia trabajando tanto con átomos como con iones ultrafríos.
El experimento diseñado por Pinkas y su equipo se llevó a cabo en condiciones de frío extremo: a temperaturas inferiores a un milikelvin, o una milésima de grado por encima del cero absoluto. Estas condiciones se crearon mediante enfriamiento por láser: por contradictorio que parezca, el láser enfría los átomos, o iones, golpeándolos hasta que quedan casi congelados en su sitio. Una vez enfriado el conjunto, un único ion del metal estroncio, atrapado por medio de un campo eléctrico, queda expuesto a un flujo de alrededor de medio millón de átomos de rubidio. Cuando el ion de estroncio choca con uno de los átomos de rubidio, los científicos pueden detectar el resultado de la colisión mediante un segundo láser.
En general, cuanto más frío esté el sistema, mayor será la posibilidad de observar fenómenos cuánticos, que se caracterizan por niveles de energía discretos, que se pierden en el movimiento de partículas más caótico que se produce con el calentamiento. El umbral cuántico del sistema utilizado en el presente experimento suele estar en alrededor de una décima de millonésima de grado por encima del cero absoluto.
Pero el nuevo descubrimiento se hizo antes de que se alcanzara ese estado ultrafrío, por lo que el experimento todavía era relativamente “caliente”: la temperatura se situó primero en una millonésima de grado por encima del cero absoluto, y luego subió a una milésima de grado, impulsada hacia arriba por el uso de la trampa de iones. Esto era demasiado cálido para las observaciones de la física cuántica, pero fue la física clásica la que proporcionó la sorpresa; de hecho, la peculiar danza del par ion-átomo observada en el experimento podía explicarse completamente mediante ecuaciones newtonianas.
“Estábamos buscando efectos cuánticos y encontramos un efecto de la física clásica que no esperábamos”, dice Pinkas.
Los investigadores se dieron cuenta de que algo inusual estaba sucediendo después de comprobar la propiedad cuántica del ion de estroncio llamada espín. Después de la colisión, el espín siguió cambiando, o en la jerga científica, “cambiándose”, a un ritmo mucho mayor que el previsto, lo que sugería que, contrariamente a las expectativas, el ion permaneció de alguna manera conectado al átomo de rubidio. Los científicos se dieron cuenta entonces de que el átomo y el ion, en el estado interconectado que surgió de su colisión, formaron una especie de molécula, de corta duración y caracterizada por una distancia inusualmente grande entre los dos componentes, pero una formación que, no obstante, se comportó como una molécula.
“Esto no debería haber sucedido, porque dos átomos que forman una molécula pierden energía en el proceso, y en nuestro sistema esa energía aparentemente no tenía adónde ir”, explica Pinkas. “Pero encontramos una explicación. La energía sobrante es absorbida por la trampa de iones, que por un breve tiempo evita que el átomo y el ion se separen después de una colisión. En la analogía del billar, es como si los lados de la mesa de billar se curvaran hacia arriba para parecerse a un cuenco, impidiendo temporalmente que las dos bolas que chocan salgan volando”.
El equipo, en el que también participaron el Dr. Or Katz, Jonathan Wengrowicz y Nitzan Akerman, siguió aplicando herramientas cuánticas para explorar la molécula de estroncio-rubidio que habían creado. Por ejemplo, al cambiar la fuerza del campo magnético en la trampa de iones, podían alterar el giro de las partículas y preguntarse cómo afectaría esto a la formación de la molécula. El objetivo final es comprender no solo cómo se forma la molécula, sino también cómo se puede descomponer. “Queremos aprender a obtener un control preciso sobre el efecto que descubrimos”, dice Pinkas.
El logro de dicho control podría ayudar a transferir los nuevos hallazgos al dominio cuántico. Podría, por ejemplo, hacer posible la producción de efectos cuánticos a temperaturas más altas que las actuales, lo que sería útil para el estudio de la química cuántica, incluidas las reacciones químicas que tienen lugar en el entorno ultrafrío del espacio interestelar. De hecho, la reacción química más frecuente en el espacio interestelar es la formación de iones moleculares mediante colisiones frías entre átomos e iones. Otra posible dirección futura es utilizar las interacciones ion-átomo para construir ciertos modelos físicos que son difíciles de producir de otra manera, por ejemplo, modelos de cristales. En ellos, el ion imitaría el núcleo atómico y los átomos, el comportamiento de los electrones que rodean este núcleo. Tales modelos podrían usarse en la ciencia de los materiales o en los estudios fundamentales de la materia.
Ozeri añade: “Son direcciones potenciales que podemos prever hoy, pero la belleza de todos los nuevos descubrimientos es que podrían llevarnos a territorio completamente desconocido de maneras que en el presente ni siquiera podemos imaginar”.
Números científicos: Las moléculas de iones-átomos creadas en el experimento existieron, en promedio, durante 1 microsegundo (una millonésima de segundo).
Cuando el ion y el átomo rebotaron entre sí unas cinco veces después de la colisión en el experimento del Instituto Weizmann, la distancia entre ellos era de unos 30 nanómetros. En cambio, en las moléculas normales unidas por enlaces químicos, la distancia entre los átomos es inferior a 1 angstrom, o 0,1 nanómetros.
