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Los físicos han fijado miles de moléculas en un estado cuántico.

El autor de un nuevo estudio publicado enLa revista Nature parece haber logrado resolver uno de los problemas más importantes de la física cuántica: demostraron cómo llevar varias moléculas a la vez a un solo estado cuántico. Permítanme recordarles que cuando un grupo de partículas, enfriadas hasta el cero absoluto, comparten un solo estado cuántico y todo el grupo comienza a comportarse como si fuera un átomo, los físicos hablan de un condensado de Bose-Einstein. Este estado es ciertamente difícil de lograr, pero cuando sucede, se abre todo un mundo de nuevas posibilidades. Los científicos han estado haciendo esto con los átomos durante décadas, pero si hubieran hecho lo mismo con las moléculas, hoy probablemente tendríamos diferentes formas de tecnología cuántica. Pero dado que las moléculas son más grandes que los átomos y tienen muchas más partes móviles, la mayoría de los intentos de frenarlas han fracasado. Sin embargo, este fue el caso hasta finales de abril de este año: en el curso de un nuevo estudio, un equipo de físicos enfrió los átomos de cesio y luego confinó las moléculas para que estuvieran en una superficie bidimensional y solo pudieran moverse. en dos direcciones. El resultado es un conjunto de moléculas prácticamente idénticas en un solo estado cuántico.

¡Guau! Aquí hay un análogo bosónico de la transición de un condensado de Bose-Einstein a un líquido superfluido de Bardeen-Cooper-Schrieffer en un gas de Fermi.

¿Qué es el condensado de Bose-Einstein?

Como sabe, tanto la convolución comoLa superconductividad es el resultado de cambios en el comportamiento de grupos de partículas cuánticas a bajas temperaturas. El fenómeno asociado con esto implica la creación de un estado de materia completamente nuevo. Además de los tres estados conocidos de la materia - líquidos, gases y sólidos, existe un cuarto - plasma. Ocurre cuando un gas se calienta a temperaturas en las que los átomos pierden electrones y se convierten en iones cargados. Los iones a menudo se forman en reacciones químicas, como aquellas en las que la sal (cloruro de sodio) se disuelve en agua, produciendo iones de sodio y cloro, o aquellas que calientan un gas.

También es interesante que el plasma es la sustancia más común en el universo ya que se compone principalmente de estrellas,que constituyen la mayor parte de las galaxias (sin contar la materia oscura). También encontramos plasma en la vida cotidiana, cuando miramos llamas o tipos de televisores de pantalla plana. Pero en el extremo frío de la escala de temperatura hay quinto estado de la materia - Condensado de Bose-Einstein.

Modelo estándar de física de partículassepara las partículas en dos grupos que no obedecen al principio de exclusión: fermiones (electrones y quarks) y bosones (fotones). Los bosones generalmente no interactúan entre sí y muchos de ellos pueden coexistir en el mismo estado cuántico.

La condensación de Bose-Einstein se forma cuando un gas se enfría casi al cero absoluto.

El condensado de Bose-Einstein contiene una gran cantidad de partículasconectados entre sí de tal manera que esta conexión les permite comportarse como un gran bosón, dotando a la materia de propiedades tan inusuales como la capacidad de capturar la luz. El nombre "Bose-Einstein" se refiere al modelo utilizado para describir el comportamiento colectivo de las partículas - estadísticas de "Bose-Einstein" - una de las dos opciones sobre cómo pueden comportarse las partículas cuánticas. Otra opción son las estadísticas de Fermi-Dirac.

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¿Cómo fijar moléculas en un estado cuántico?

En un nuevo estudio publicado enen Nature el 28 de abril, un equipo de científicos de la Universidad de Chicago enfrió los átomos de cesio a casi cero absoluto; en este estado, cada átomo está estacionario y todos los electrones están en un nivel más bajo; en teoría, esto ocurre a -273,15 grados Celsius (0 grados Kelvin). Esto sucedió en varias etapas.

El primero fue enfriar todo el sistema a 10nanokelvin: un cabello por encima del cero absoluto. Luego, empaquetaron las moléculas en un espacio que se deslizaba para que queden planas. “Por lo general, las moléculas quieren moverse en todas las direcciones y, si se lo permite, se vuelven menos estables. Limitamos las moléculas para que estuvieran en una superficie bidimensional y solo pudieran moverse en dos direcciones ”, escriben los autores del estudio.

Ver también: ¿Por qué la física cuántica es similar a la magia?

Profe.Chen Chin en un laboratorio de la Universidad de Chicago. Su laboratorio ha anunciado un gran avance al llevar múltiples moléculas a un estado cuántico. Este es uno de los objetivos más importantes de la física cuántica.

El resultado es un conjunto de prácticamentemoléculas idénticas - alineadas con exactamente la misma orientación, la misma frecuencia de vibración y en el mismo estado cuántico. Los científicos han descrito este condensado molecular como una hoja en blanco de un nuevo papel de dibujo para ingeniería cuántica.

“Este es un punto de partida absolutamente perfecto.Por ejemplo, si desea construir sistemas cuánticos para almacenar información, debe comenzar desde cero antes de poder formatear y almacenar esa información ”, dijo a Sciencealert el autor principal del estudio, Chen Chin, de la Universidad de Chicago.

Es de destacar que hasta ahora los científicos han podidoenlazan hasta varios miles de moléculas en este estado y apenas están comenzando a explorar su potencial. Como explican los autores del trabajo científico, en la comprensión tradicional de la química, solemos pensar que varios átomos y moléculas chocan y forman una nueva molécula. Pero en un estado cuántico, todas las moléculas actúan juntas para exhibir un comportamiento colectivo. Esto abre una forma completamente nueva de estudiar cómo las moléculas pueden interactuar entre sí para convertirse en un nuevo tipo de molécula.

Te estarás preguntando: ¿Está el mundo realmente a punto de descubrir una "nueva física"?

Los resultados del trabajo, como esperan sus autores, enel futuro puede constituir la base de formas de tecnología cuántica. Entre otras cosas, debido a su rica estructura energética, las moléculas frías pueden contribuir a los avances en ingeniería cuántica y química cuántica. En general, ante toda la evidencia de que en un futuro cercano estamos esperando muchos descubrimientos asombrosos.

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