A cryogenic apparatus with a rotatable substrate for matrix isolation spectroscopy of BaF in neon crystals down to 3.2 K

Para comprender el trabajo descrito aquí, primero hay que captar una idea simple pero poderosa en la física: para ver la verdadera naturaleza de una molécula, hay que detener su movimiento. En el mundo natural, los átomos y las moléculas están en un movimiento constante y frenético, colisionando y girando tan rápidamente que sus señales internas se desdibujan. Los científicos utilizan una técnica llamada aislamiento en matriz para resolver esto. Atrapan una molécula específica dentro de un bloque sólido de un gas inerte e inocuo, como el neón, y congelan ese bloque a temperaturas más frías que el espacio profundo. En esta jaula congelada y rígida, la molécula se mantiene perfectamente quieta, permitiendo a los investigadores estudiar su comportamiento con extrema precisión. Este método es particularmente valioso para la búsqueda de una propiedad fantasmal del electrón llamada momento dipolar eléctrico. Si esta propiedad existiera, sacudiría nuestra comprensión de las leyes fundamentales del universo, pero es tan diminuta que requiere el entorno más quieto y silencioso posible para ser detectada.

Un equipo de investigadores ha construido ahora una nueva máquina diseñada específicamente para crear estas jaulas ultrafrías y congeladas para una molécula llamada monofluoruro de bario. Esta molécula es una candidata ideal para la búsqueda porque su pesado átomo de bario amplifica los efectos minúsculos que los científicos buscan. Los investigadores construyeron una sofisticada cámara de vacío que actúa como un laboratorio para el crecimiento de estos cristales. En su interior, utilizan un láser de alta potencia para bombardear un blanco sólido de fluoruro de bario, creando una nube de átomos y moléculas. Esta nube es luego desplazada por una corriente de gas frío —ya sea neón o una forma especial de hidrógeno— hacia una cámara donde aterriza sobre una placa de zafiro. Esta placa es enfriada por un refrigerador mecánico a unos asombrosos 3.2 Kelvin, una temperatura justo por encima del cero absoluto. A este frío extremo, las moléculas de gas se congelan instantáneamente, formando un cristal sólido que atrapa el monofluoruro de bario en su interior.

Lo que hace que este nuevo aparato sea único es su capacidad para rotar la muestra congelada sin romper el vacío ni calentarla. Una vez que el cristal ha crecido, los investigadores pueden hacer girar la placa para que apunte a diferentes instrumentos. Pueden hacer pasar un láser a través del cristal para ver cuánto absorbe la luz, o pueden girarlo para que se enfrente a un espejo que recoja la luz con la que el cristal brilla. Esta flexibilidad les permite estudiar el mismo cristal único de múltiples maneras, asegurando que sus mediciones sean consistentes y no estén sesgadas por diferencias entre muestras separadas. Utilizando esta configuración, el equipo logró cultivar con éxito cristales de neón dopados con monofluoruro de bario y confirmó que las moléculas estaban atrapadas y estables. Cuando hicieron pasar una luz láser específica a través del cristal, las moléculas absorbieron la energía y luego la reemitieron como un brillo, o fluorescencia. Al analizar este brillo, identificaron los estados de energía específicos de las moléculas, confirmando que el entorno del cristal de neón se comporta de manera muy similar a la fase gaseosa, que es exactamente lo que se necesita para mediciones precisas.

Los investigadores también probaron el sistema con un tipo diferente de gas, una forma especial de hidrógeno conocida como para-hidrógeno. Aunque el neón funcionó bien, el hidrógeno es teóricamente incluso mejor para estos experimentos porque es más ligero e interactúa menos con las moléculas atrapadas. El equipo produjo con éxito monofluoruro de bario utilizando hidrógeno como gas de enfriamiento, marcando un primer paso significativo hacia el cultivo de cristales en este medio superior. Sin embargo, el estudio también reveló un desafío que debe gestionarse en experimentos futuros. Cuando la luz del láser era demasiado brillante o el cristal estaba extremadamente frío, la señal de brillo de las moléculas se desvanecía rápidamente. Los investigadores determinaron que esto no era un fallo de las moléculas en sí, sino un efecto temporal donde la luz intensa o el calentamiento local causaban que las moléculas dejaran de brillar por un momento. Encontraron que este efecto de desvanecimiento se hacía más fuerte a medida que la temperatura descendía y la potencia del láser aumentaba.

Además del monofluoruro de bario, el equipo notó que su láser también producía átomos de bario neutros, que también estaban atrapados en el cristal y brillaban con su propio color distintivo. Esto confirmó que el proceso de bombardeo con láser crea una mezcla de diferentes especies, todas las cuales terminan en el bloque congelado. Al medir el brillo del resplandor, los científicos estimaron el número de moléculas de monofluoruro de bario atrapadas en el cristal, encontrando una densidad del orden de 5 veces 10 a la potencia de 13 moléculas por centímetro cuadrado. Esta nueva máquina, con su muestra rotatoria y su capacidad para alcanzar temperaturas tan bajas como 3.2 Kelvin, proporciona una plataforma robusta para estudios futuros. Demuestra que los científicos pueden cultivar estos delicados cristales, controlar su entorno y comenzar el trabajo preciso de sondear el momento dipolar eléctrico del electrón, acercándonos a la respuesta de una de las preguntas más profundas de la física.