El laboratorio más frío de Nueva York tiene una nueva oferta cuántica.

escribo La naturalezaen colaboración con su colega teórico Tejas Kerman de la Universidad de Radboud en los Países Bajos, Will Lab ha creado con éxito un estado cuántico único de la materia llamado Condensado de Bose-Einstein (BEC).

Su BEC, enfriado a sólo cinco nanokelvins, o alrededor de -459,66 °F, y estable durante dos segundos sorprendentemente largos, está hecho de moléculas de sodio y cesio. Al igual que las moléculas de agua, estas moléculas son polares, lo que significa que tienen carga positiva y negativa. Will señaló que la distribución desequilibrada de la carga eléctrica facilita las interacciones de largo alcance que crean una física muy interesante.

El laboratorio Will está entusiasmado de seguir adelante con su BEC molecular para realizar investigaciones que exploren muchos fenómenos cuánticos diferentes, incluido un nuevo tipo de superfluidez, un estado de la materia que existe sin flujos de fricción. También esperan convertir sus BEC en simuladores que puedan recrear las propiedades cuánticas ocultas de materiales más complejos como los cristales sólidos.

“Los condensados ​​moleculares de Bose-Einstein abren áreas de investigación completamente nuevas, desde comprender verdaderamente la física fundamental hasta impulsar poderosas simulaciones cuánticas”, dijo. “Este es un logro emocionante, pero en realidad es sólo el comienzo”.

Es un sueño hecho realidad para el laboratorio Will, y uno que lleva décadas desarrollándose para la comunidad de investigación ultrafría.

Para enfriar, agregue microondas.

Las microondas son una forma de radiación electromagnética que tiene una larga historia en Colombia. En la década de 1930, el físico Isador Isaac Rabi, que ganaría el Premio Nobel de Física, realizó un trabajo innovador sobre las microondas que condujo al desarrollo de sistemas de radar aerotransportados. “Robbie fue uno de los primeros en controlar los estados cuánticos de las moléculas y fue pionero en la investigación de microondas”, dijo Will. “Nuestro trabajo sigue una tradición de 90 años.”

Si bien es posible que esté familiarizado con el papel de las microondas a la hora de calentar los alimentos, resulta que también pueden facilitar el enfriamiento. Las moléculas individuales tienden a chocar entre sí y, como resultado, forman complejos más grandes que desaparecen de las muestras. Las microondas pueden crear pequeños escudos alrededor de cada molécula que les impiden colisionar, una idea sugerida por su colega Kerman en los Países Bajos. Con las moléculas protegidas de colisiones dañinas, sólo las cosas más calientes de la muestra pueden eliminarse preferentemente: los mismos principios físicos que enfrían tu taza de café cuando la soplas, escribieron los autores Niccolò Bagagli. Las moléculas que quedan se enfriarán y la temperatura general de la muestra descenderá.

El equipo estuvo a punto de crear un BEC molecular que se publicó el otoño pasado. Física de la naturaleza quien introdujo el método de protección contra microondas. Pero era necesario otro giro experimental. Cuando agregaron un segundo campo de microondas, el enfriamiento se volvió aún más eficiente y el cesio sodio finalmente superó el límite BEC, un objetivo que Will Labs ha logrado desde su apertura en Columbia en 2018.

“Fue un cierre maravilloso para mí”, dijo Bagagli, quien obtuvo su doctorado en física esta primavera y fue miembro fundador del laboratorio. “Obtuvimos estos fantásticos resultados sin siquiera montar un laboratorio”.

Además de reducir las colisiones, el segundo campo de microondas también puede manipular la orientación de las moléculas. Esto, a su vez, conduce a un medio para controlar cómo se comunican, algo que el laboratorio está explorando actualmente. “Al controlar estas interacciones dipolares, esperamos crear nuevos estados y fases cuánticas de la materia”, dijo el coautor y postdoctorado de Columbia, Ian Stevenson.

Se abre un nuevo mundo para la física cuántica.

Usted, un pionero de la ciencia ultrafría con sede en Boulder, considera los resultados una hermosa pieza de ciencia. “Este trabajo tendrá implicaciones importantes para varios campos científicos, incluido el estudio de la química cuántica y la búsqueda de materiales cuánticos fuertemente entrelazados”, comentó. “El experimento de Will presenta el control preciso de las interacciones moleculares para dirigir el sistema hacia los resultados deseados: un gran avance en la tecnología de control cuántico”.

Mientras tanto, el equipo de Columbia se complace en ofrecer una explicación teórica de las interacciones entre las moléculas que han sido validadas experimentalmente. “Tenemos una muy buena comprensión de las interacciones en este sistema, lo que también es importante para los próximos pasos, como la exploración de la física dipolar de muchos cuerpos”, dijo Kerman. “Hemos ideado esquemas para controlar las interacciones, los hemos probado en teoría y los hemos implementado en experimentos. Ha sido una experiencia asombrosa poner en práctica estas ideas en el laboratorio para el ‘protección’ de microondas”.

Hay docenas de predicciones teóricas que pueden probarse experimentalmente con BEC moleculares que, como señala el coprimer autor y estudiante de doctorado Xavi Zhang, son bastante estables. La mayoría de los experimentos ultrafríos ocurren en un segundo, algunos tan cortos como unos pocos milisegundos, pero los BEC moleculares del laboratorio duran más de dos segundos. “Esto realmente nos permitirá investigar cuestiones abiertas en la física cuántica”, afirmó.

Una idea es crear cristales artificiales con BEC atrapados en una red óptica hecha de láseres. Esto permitirá poderosas simulaciones cuánticas que imitan las interacciones en cristales naturales, señaló Will, un área de enfoque de la física de la materia condensada. Los simuladores cuánticos generalmente se construyen con átomos, pero los átomos tienen interacciones de corto alcance (prácticamente tienen que estar uno encima del otro), lo que limita la forma en que pueden simular materiales más complejos. “El BEC molecular introducirá más sabor”, dijo Will.

También implica dimensión, dijo el coprimer autor y estudiante de doctorado Weijun Yuan. “Nos gustaría utilizar BEC en un sistema 2D. Siempre se puede esperar que surja nueva física cuando se pasa de tres dimensiones a dos”, dijo. Los materiales 2D son un área importante de investigación en Columbia. Tener un sistema modelo hecho de BEC moleculares podría ayudar a Will y sus colegas de materia condensada a explorar fenómenos cuánticos que incluyen la superconductividad, la superfluidez y más.

“Parece que se está abriendo un mundo completamente nuevo de posibilidades”, dijo Will.