Formation of bosonic $^{23}$Na$^{41}$K Feshbach molecules

En los confines más fríos del laboratorio, donde las temperaturas descienden a un suspiro del cero absoluto, los átomos pierden su caos individual y comienzan a moverse como una onda única y unificada. Este es el reino de los gases cuánticos ultrafríos, un campo donde los científicos manipulan la materia para revelar sus comportamientos más fundamentales. Entre las herramientas más emocionantes en este dominio se encuentran las moléculas de Feshbach, que son pares de átomos mantenidos unidos no por los fuertes enlaces químicos que componen el agua o el aire, sino por una fuerza magnética delicada y ajustable. Al ajustar un campo magnético externo, los investigadores pueden graduar la fuerza de la atracción entre los átomos, convirtiéndolos de partículas que flotan libremente en pares débilmente ligados. Estas moléculas son un peldaño crucial. Si los científicos logran enfriarlas aún más y fijarlas en su estado de energía más bajo, se convierten en partículas estables y de interacción fuerte con un dipolo eléctrico permanente. Tales partículas podrían actuar como diminutos imanes que se comunican entre sí a largas distancias, ofreciendo una nueva plataforma para simular materiales complejos, probar las leyes de la física y construir futuras tecnologías cuánticas.

Un equipo de investigadores de la Universidad de Ciencia y Tecnología de Pohang, en Corea del Sur, ha dado ahora un paso significativo hacia este objetivo mediante la creación de un tipo específico de estas moléculas ultrafrías utilizando átomos de sodio y potasio. Mientras que experimentos previos han creado con éxito moléculas similares utilizando otras combinaciones de elementos, este grupo se centró en una versión bosónica de sodio-23 y potasio-41. Este emparejamiento específico es muy valorado porque los átomos involucrados poseen propiedades que los convierten en candidatos excepcionales para formar grandes y estables nubes de materia cuántica. El logro principal del equipo fue la creación exitosa de estas moléculas y un mapa detallado de cuánto sobreviven antes de desintegrarse, proporcionando una hoja de ruta clara para futuros experimentos que busquen crear un gas cuánticamente degenerado de estas partículas.

El proceso comenzó con una mezcla de átomos ultrafríos de sodio y potasio atrapados en un haz de luz láser. Los átomos fueron enfriados a temperaturas tan bajas como 170 nanokelvinos, un estado en el que se mueven con extrema lentitud. Para unirlos, los investigadores aplicaron un campo magnético específico de aproximadamente 73.6 gauss, una configuración donde los átomos tienden naturalmente a emparejarse. Luego, utilizaron un pulso preciso de ondas de radio para empujar suavemente a los átomos desde su estado libre hacia un estado molecular débilmente ligado. Esta técnica, conocida como asociación por radiofrecuencia, actúa como un diapasón que iguala la diferencia de energía entre los átomos libres y la nueva molécula, permitiendo que el par se una. En un solo pulso, el equipo logró crear más de 10,000 de estas moléculas de sodio-potasio a partir de la nube térmica.

Una vez formadas las moléculas, los investigadores necesitaban comprender sus propiedades para asegurar que pudieran ser utilizadas para un mayor enfriamiento. Midieron la energía que mantiene unidas a las moléculas escaneando la radiofrecuencia y observando cuándo aparecían las moléculas. Esto les permitió precisar el campo magnético exacto donde ocurre el emparejamiento y determinar el ancho de esta resonancia, que resultó ser bastante amplio, de 5.1 gauss. Una resonancia amplia es una característica valiosa porque significa que los científicos pueden ajustar las interacciones entre los átomos en un rango amplio sin necesidad de dar con un valor de campo magnético único e imposiblemente preciso. Esta robustez hace que el sistema sea mucho más fácil de controlar para futuros experimentos.

La estabilidad de estas moléculas es, quizás, el factor más crítico para su uso futuro. Los investigadores midieron cuánto tiempo duraron las moléculas en la trampa antes de colisionar con otros átomos y desintegrarse. Cuando las moléculas estaban rodeadas por la mezcla original de átomos de sodio y potasio, sobrevivieron durante más de 2 milisegundos. Sin embargo, cuando los investigadores eliminaron los átomos de sodio sobrantes de la trampa, las moléculas vivieron significativamente más tiempo, sobreviviendo unos 7 milisegundos. Este aumento en la vida útil es vital porque otorga a los científicos tiempo suficiente para realizar los siguientes pasos de su experimento, como transferir las moléculas a su estado de energía más bajo mediante pulsos láser. El equipo encontró que esta vida útil se mantuvo constante a través de diferentes configuraciones de campo magnético, lo que sugiere que las moléculas son inherentemente estables frente a los tipos de colisiones que normalmente las destruyen.

Para entender exactamente cómo se formaron y perdieron estas moléculas, el equipo desarrolló un modelo matemático que rastreaba el número de moléculas y átomos a lo largo del tiempo. Descubrieron que la creación de las moléculas estaba limitada principalmente por la velocidad con la que las ondas de radio podían unir los átomos, más que por el hecho de que las moléculas se desintegraran inmediatamente. Su modelo mostró que las moléculas se perdían principalmente al colisionar con los átomos de sodio sobrantes, y que esta pérdida ocurría con mucha más frecuencia que las colisiones con los átomos de potasio. Al ajustar la proporción de átomos de sodio a potasio en la trampa, optimizaron el proceso para crear la máxima cantidad de moléculas, alcanzando un pico de 11,000. Esta comprensión cuantitativa les permite predecir exactamente cuántas moléculas obtendrán bajo diferentes condiciones, eliminando las conjeturas del proceso.

Estos resultados representan una base sólida para la siguiente fase de la investigación. El equipo ha demostrado que puede producir una gran cantidad de estas moléculas específicas con una alta densidad, un prerrequisito para enfriarlas aún más hasta convertirlas en un gas cuánticamente degenerado. Debido a que las moléculas son estables durante varios milisegundos, hay tiempo de sobra para aplicar las complejas técnicas de láser necesarias para moverlas a su estado fundamental absoluto, donde se vuelven químicamente estables y listas para simulaciones cuánticas avanzadas. Con la creación y caracterización exitosa de las moléculas bosónicas de sodio-potasio, el camino queda despejado para explorar la rica física de los gases dipolares de interacción fuerte, lo que potencialmente conducirá a nuevos descubrimientos sobre cómo se comporta la materia cuántica a gran escala.