Moléculas ultrafrías por el Prof. Dr. D. Alberto Requena Rodríguez, académico numerario

Las moléculas ultra-frías ofrecen muchas posibilidades para la investigación, dado que al tener muchos más grados de libertad que los átomos y las interacciones entre ellas y con los campos eléctricos aplicados, son mucho más fuertes. Si enfriamos moléculas hasta temperaturas de micro-Kelvin y las atrapamos durante unos minutos y disponemos de las herramientas requeridas para efectuar un control completo a nivel cuántico de todos los grados de libertad podemos realizar unas medidas con precisión exquisita, dado que las moléculas a baja temperatura se mueven muy lentamente. Se puede medir el momento eléctrico dipolar y analizar la variación con el tiempo de las constantes fundamentales, con lo que podemos acceder a efectuar un test de las teorías físicas que pretenden ir más allá del modelo estándar de la física de partículas. Con la construcción de matriz de moléculas ultra frías se puede aprender a controlar el movimiento, la orientación y las interacciones de las moléculas en la matriz. Sin duda, esto es una nueva herramienta para comprender la física cuántica de las interacciones fuertes en sistemas de muchos cuerpos y tiene mucho interés en el procesado cuántico de la información.

El problema de conseguir enfriar moléculas a temperaturas muy próximas al cero absoluto es que las moléculas se mueven a cientos de kilómetros por hora, rotando, girando y generalmente con apariencia desordenada. Al enfriar las moléculas el orden disminuye y nos encontramos con una especie de nuevo escenario físico y químico. Se ha logrado enfriar átomos a muy baja temperatura con un láser. Se consigue bombardeando los átomos con fotones láser y cada fotón imprime un pequeño momento en la dirección opuesta al movimiento de los átomos (como si le diera un empujón o una patada). Tras millones de choques de este tipo, los átomos están casi quietos. Sin embargo esto que funciona tan bien con los átomos, no funciona igual con las moléculas, ya que a diferencia de los átomos, las moléculas vibran y rotan. Cada molécula tras la colisión con el fotón, comienza a vibrar y este cambio de su energía interna puede hacer que no interactúe mucho con el láser. De forma que, el láser para enfriar moléculas directamente, se debe reemplazar por átomos ultrafríos que vengan a ser como un lago de enfriamiento en miniatura, donde sumergimos las moléculas calientes para enfriarlas.

Otro elemento clave es asegurar que las moléculas permanecen en el lago de enfriamiento aplicando las fuerzas necesarias para atrapar las moléculas. Esto se puede hacer empleando campos eléctricos, dado que la mayoría de las moléculas no son perfectamente simétricas, sino más bien tienen una carga positiva localizada en un punto y una negativa localizada en otro. Un punto con carga positiva en un campo eléctrico se ve empujado en un sentido y un punto negativo en el sentido contrario. Si el campo es uniforme, la fuerza neta que se ejerza sobre la molécula será nula, por compensación, al ejercer la misma fuerza en ambos sentidos. Si el campo no es uniforme las fuerzas no estarán balanceadas y la molécula se moverá. De esta forma, con campos eléctricos no uniformes se pueden confinar moléculas en el lago de enfriamiento.

Las aplicaciones de las moléculas ultrafrías se dan en muchos campos. Una de ellas es la relativa a la simetría. Alcanzando temperaturas por debajo de 100 miliKelvin, es decir, 0.1 C por encima del cero absoluto, casi todas las moléculas están en sus estados cuánticos de vibración y rotación más bajos y son suficientemente lentas para quedar atrapadas por siempre. En este grado de control, es posible encarar alguno de los interrogantes fundamentales de la simetría en la Naturaleza: ¿por qué está hecho el Universo de materia y no de antimateria? ¿cambian las leyes de la Naturaleza si cambiamos el sentido del tiempo? ¿son realmente invariables las constantes fundamentales o tienen valores que cambian en una escala de tiempo cosmológica? ¿cómo puede ser sensible una molécula a estas cosas? Una vez que controlamos las moléculas son válidas todas las herramientas de medida desarrolladas para estudiar los átomos. Si hacemos que salgan moléculas podemos medir los finísimos cambios que se provocan en la energía, bien variando una de las constantes fundamentales o bien la asimetría entre materia y antimateria. Estos efectos son pequeños, pero pueden ser mucho mayores en moléculas que en átomos, dado que la molécula tiene múltiples grados de libertad (electrónicos, vibracionales y rotacionales) cada uno de los cuales se puede usar para construir un reloj. Con una sola molécula tenemos múltiples relojes que operan a muy diversas frecuencias y si una constante fundamental cambia, se observará cuando se comparen las frecuencias de esos relojes. Otra diferencia importante con los átomos es que las moléculas tienen cargas residuales y es fácil alinearlas aplicando un campo eléctrico. Se puede medir si depende la frecuencia de un reloj molecular de la alineación con un campo magnético, que sería una señal clara de que las leyes de la Naturaleza dependen del sentido del tiempo. Por último, en Química, supone un control sin precedente sobre las reacciones químicas, ya que podemos elegir los estados cuánticos, la energía y la orientación de la reacción y podemos aplicar campos eléctricos y magnéticos para provocar el on o el off de las reacciones o variar sus velocidades.

 

También se puede tener el mismo grado de control en las moléculas biológicas. Esto permite poder desentrañar las propiedades con mayor detalle, obteniendo una mejor comprensión de las moléculas que constituyen los bloques de la vida. Un escenario fascinante, también en el ámbito de la simetría, es el de la arbitrariedad de la simetría de las moléculas. Decimos que una molécula difiere, cuando no es la misma que su imagen especular. Cuando se sintetizan aminoácidos en el laboratorio, al final se obtiene una mezcla balanceada de variantes levógiras y dextrógiras, pero en la Naturaleza los aminoácidos son levógiros. No se comprende bien cuál es la razón, pero las medidas precisas de la energía de las moléculas con simetría especular a baja temperatura pueden resolver la incógnita.

Cuando nos situamos a miliKelvin del cero absoluto, es decir a milésimas, el movimiento de las moléculas se parece al de unas bolas de billar. La naturaleza totalmente cuántica de las moléculas solamente se pone de relieve cuando su temperatura se sitúa a microKelvin o menos, es decir a unos 0.000001 grados por encima del cero absoluto. Es entonces cuando las moléculas del gas se comportan cooperativamente y son capaces de construir estructuras ordenadas. Las interacciones son del tipo dipolo-dipolo, es decir, la parte final de una molécula, cargada positivamente se repele con otra parte positiva de otra molécula. Estas interacciones son de largo alcance, de forma que cada molécula es sensible a la posición y orientación de todas las demás moléculas del gas. Esta es una situación muy especial, que permite al gas que se establezca un orden de largo alcance y así se pueden estudiar los denominados fenómenos exóticos, como la superfluidez, la superconductividad y las transiciones de fase cuánticas. Hay una enorme cantidad de retos de desarrollo tecnológico a superar antes de que se logre el potencial que suponen las moléculas frías. Buena parte de ellos son fascinantes, aunque no cabe duda de que son las aplicaciones las que más motivan el trabajo en este campo.