Un gran avance en la refrigeración por láser: captura de una molécula estable con luz ultravioleta profunda
El reto de atrapar moléculas químicamente estables
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Investigadores del Departamento de física molecular del Instituto Fritz Haber han demostrado la primera trampa magneto-óptica de una molécula estable de "envoltura cerrada": el monofluoruro de aluminio (AlF). Consiguieron enfriar el AlF con láseres y atraparlo selectivamente en tres niveles cuánticos rotacionales distintos, abriendo nuevos caminos en la física del ultrafrío. Sus experimentos abren la puerta a la espectroscopia de precisión avanzada y la simulación cuántica con AlF.
El montaje experimental: Trampa magneto-óptica para el enfriamiento por láser de monofluoruro de aluminio (AlF)
© FHI
Física del ultrafrío: una puerta a la mecánica cuántica
El enfriamiento de la materia a temperaturas cercanas al cero absoluto (0 K, -273,15 °C) actúa como un microscopio para el comportamiento de la mecánica cuántica, lo que permite enfocar con nitidez la física normalmente borrosa. Ejemplos históricos clásicos son el descubrimiento en 1911 de la superconductividad del mercurio metálico enfriado a casi 4 K y el comportamiento térmico anómalo del hidrógeno molecular debido a sus estados de espín "orto" y "para". Estos fenómenos confundieron las teorías de la física clásica de la época, impulsando tanto la evolución de la mecánica cuántica como los esfuerzos por alcanzar temperaturas cada vez más bajas.
Tras la invención del láser, los físicos se dieron cuenta de que los ciclos de enfriamiento podían llevarse a cabo mediante la interacción de la materia con la luz. El efecto de una partícula individual de luz (un "fotón") es minúsculo, pero cuando se acumula muchos miles de veces en un ciclo, el enfriamiento por láser se vuelve extremadamente potente: las temperaturas finales alcanzadas pueden estar entre una milésima y una millonésima de grado por encima de cero Kelvin (10-3 - 10-6 K). Es lo que se conoce como régimen ultrafrío.
Atrapamiento magneto-óptico
Desde hace casi 40 años es posible preparar átomos neutros ultrafríos en "trampas magneto-ópticas". En este caso, se combinan múltiples haces láser de captura con un campo magnético elegido correctamente para confinar las partículas y enfriarlas a una milésima de grado por encima de la temperatura cero absoluta. Esta técnica clave ha dado lugar, por ejemplo, a los actuales relojes atómicos ópticos, a prototipos de ordenadores y simuladores cuánticos basados en átomos y a la observación de nuevas fases de la materia.
Hace poco más de diez años, los investigadores consiguieron enfriar con láser y atrapar una molécula diatómica, el compuesto químico más simple posible, pero ya con una estructura energética mucho más complicada que la de un átomo. Aunque existen fuertes motivaciones para llevar las moléculas al régimen de ultracongelación, esta complejidad supone un reto considerable. Hasta ahora, sólo se han introducido en trampas magneto-ópticas un puñado de moléculas reactivas con electrones no apareados (a menudo denominadas especies de "dobletes de espín").
El reto de atrapar moléculas químicamente estables
En el presente estudio, el equipo de investigadores del Departamento de Física Molecular presenta experimentos que podrían revolucionar la física con moléculas ultrafrías: Demuestran la primera trampa magneto-óptica de una molécula "spin-singlet", el monofluoruro de aluminio (AlF). El AlF tiene un enlace químico extremadamente fuerte, que en combinación con otras propiedades lo hace químicamente inerte en comparación con todas las demás moléculas enfriadas por láser. Gracias a sus propiedades, es más fácil de producir con gran eficacia en el laboratorio y es poco probable que se pierda en experimentos de ultracongelación a través de reacciones químicas.
Pero, ¿por qué se da ahora este paso pionero? Las moléculas que necesitan mucha energía para desintegrarse suelen tener grandes brechas energéticas entre sus estados electrónicos. Como consecuencia, las longitudes de onda láser necesarias para el enfriamiento se desplazan cada vez más hacia el ultravioleta, lo que aumenta considerablemente los retos experimentales. Para enfriar el AlF se necesitaron cuatro sistemas láser, cada uno con una longitud de onda cercana a los 227,5 nm. Se trata de la longitud de onda más corta utilizada hasta ahora para atrapar cualquier átomo o molécula. Atrapar AlF ha exigido nuevas innovaciones en tecnología láser y óptica, para lo que ha sido esencial una estrecha colaboración entre la industria y el mundo académico.
La configuración electrónica importa
No es sólo su estabilidad química lo que hace que el AlF sea tan prometedor para la ciencia cuántica. Otro aspecto único del experimento es que el AlF puede enfriarse con láser y quedar atrapado en múltiples niveles cuánticos rotacionales. El equipo del FHI fue capaz de cambiar entre tres niveles rotacionales diferentes en la trampa, simplemente ajustando con precisión las longitudes de onda del láser utilizado, y espera que se puedan atrapar niveles rotacionales más altos con fuentes moleculares diferentes a las que se utilizan actualmente. Esta característica distingue al AlF de las demás moléculas enfriadas por láser producidas hasta la fecha: para estas moléculas, sólo se ha enfriado y atrapado un nivel rotacional, y la ampliación a diferentes niveles rotacionales es mucho más difícil.
"El sueño para nosotros sería atrapar AlF a partir de una fuente de vapor compacta y barata, similar a la que se utiliza para los átomos alcalinos", afirma Sid Wright, que se unió al proyecto AlF en 2020 y actualmente dirige el equipo del FHI. "En experimentos iniciales, hemos visto que el AlF puede sobrevivir a colisiones con paredes de vacío a temperatura ambiente -incluso termalizándose-, lo cual es muy prometedor".
Un largo camino en el laboratorio arroja resultados prometedores
Alcanzar este hito ha llevado casi ocho años de duro trabajo en el laboratorio: primero con el estudio detallado de las propiedades espectroscópicas del AlF, seguido del desarrollo y ensayo de la tecnología de ultravioleta profundo para la trampa y, por último, el propio atrapamiento magneto-óptico y por láser. "Ha sido un enorme esfuerzo de equipo, y nuestros resultados se deben en varios aspectos al fantástico entorno de investigación, el apoyo técnico y los recursos del Departamento de Física Molecular", afirma Eduardo Padilla, el estudiante de posgrado principal del proyecto.
Los resultados recientes amplían las posibilidades de la física molecular ultrafría, y el AlF refrigerado por láser probablemente permitirá nuevas mediciones de precisión y el control cuántico de las moléculas. Un aspecto especialmente interesante del AlF es la presencia de un estado electrónico "metaestable" de larga duración, en el que los espines de los electrones se combinan para formar un "triplete de espines". Este estado metaestable puede alcanzarse desde el estado de reposo mediante otra transición ultravioleta, lo que abre la puerta a temperaturas aún más bajas.
Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.
Publicación original
J. E. Padilla-Castillo, J. Cai, P. Agarwal, P. Kukreja, R. Thomas, B. G. Sartakov, S. Truppe, G. Meijer, and S. C. Wright; Magneto-optical trapping of aluminum monofluoride; Phys. Rev. Lett. - Accepted 17 October, 2025
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