Si toca el tono correcto, una cantante puede romper una copa de vino. La razón es la resonancia. Si bien el vidrio puede vibrar levemente en respuesta a la mayoría de los tonos acústicos, un tono que resuena con la propia frecuencia natural del material puede enviar sus vibraciones a toda marcha, lo que hace que el vidrio se rompa.

La resonancia también ocurre en la escala mucho más pequeña de átomos y moléculas. Cuando las partículas reaccionan químicamente, se debe en parte a condiciones específicas que resuenan con las partículas de una manera que las impulsa a unirse químicamente. Pero los átomos y las moléculas están en constante movimiento, habitando un borrón de estados de vibración y rotación. Elegir el estado de resonancia exacto que finalmente provoca que las moléculas reaccionen ha sido casi imposible.

Los físicos del MIT pueden haber descifrado parte de este misterio con un nuevo estudio que aparece en la revista Nature. El equipo informa que por primera vez han observado una resonancia en la colisión de moléculas ultrafrías.

Descubrieron que una nube de moléculas de sodio-litio (NaLi) súper enfriadas desaparecía 100 veces más rápido de lo normal cuando se exponía a un campo magnético muy específico. La rápida desaparición de las moléculas es una señal de que el campo magnético sintonizó las partículas en una resonancia, llevándolas a reaccionar más rápido de lo normal.

Los hallazgos arrojan luz sobre las misteriosas fuerzas que impulsan a las moléculas a reaccionar químicamente. También sugieren que los científicos algún día podrían aprovechar las resonancias naturales de las partículas para dirigir y controlar ciertas reacciones químicas.

« Esta es la primera vez que se ve una resonancia entre dos moléculas ultrafrías », dice el autor del estudio Wolfgang Ketterle, profesor de física John D. MacArthur en el MIT. « Hubo sugerencias de que las moléculas son tan complicadas que son como un bosque denso, donde no serías capaz de reconocer una sola resonancia. Pero encontramos un gran árbol que se destaca, por un factor de 100. Observamos algo completamente inesperado.  »

Los coautores de Ketterle incluyen a la autora principal y estudiante graduada del MIT Juliana Park, el estudiante graduado Yu-Kun Lu, el ex postdoctorado del MIT Alan Jamison, quien actualmente se encuentra en la Universidad de Waterloo, y Timur Tscherbul en la Universidad de Nevada.

Un misterio medio

Dentro de una nube de moléculas, las colisiones ocurren constantemente. Las partículas pueden chocar entre sí como bolas de billar frenéticas o unirse en un estado breve pero crucial conocido como « complejo intermedio » que luego desencadena una reacción para transformar las partículas en una nueva estructura química.

« Cuando dos moléculas chocan, la mayoría de las veces no llegan a ese estado intermedio », dice Jamison. « Pero cuando están en resonancia, la tasa de ir a ese estado aumenta dramáticamente ».

« El complejo intermedio es el misterio detrás de toda la química », agrega Ketterle. « Por lo general, se conocen los reactivos y los productos de una reacción química, pero no cómo uno conduce al otro. Saber algo sobre la resonancia de las moléculas puede darnos una huella digital de este misterioso estado medio ».

El grupo de Ketterle ha buscado signos de resonancia en átomos y moléculas superenfriados, a temperaturas justo por encima del cero absoluto. Tales condiciones ultrafrías inhiben el movimiento aleatorio de las partículas, impulsado por la temperatura, lo que brinda a los científicos una mejor oportunidad de reconocer cualquier signo más sutil de resonancia.

En 1998, Ketterle hizo la primera observación de tales resonancias en átomos ultrafríos. Observó que, cuando se aplicaba un campo magnético muy específico a los átomos de sodio sobreenfriados, el campo mejoraba la forma en que los átomos se dispersaban entre sí, en un efecto conocido como resonancia de Feshbach. Desde entonces, él y otros han buscado resonancias similares en colisiones entre átomos y moléculas.

« Las moléculas son mucho más complicadas que los átomos », dice Ketterle. « Tienen tantos estados vibracionales y rotacionales diferentes. Por lo tanto, no estaba claro si las moléculas mostrarían resonancias ».

Aguja en un pajar

Hace varios años, Jamison, quien en ese momento era un postdoctorado en el laboratorio de Ketterle, propuso un experimento similar para ver si se podían observar signos de resonancia en una mezcla de átomos y moléculas enfriadas a una millonésima de grado por encima del cero absoluto. Al variar un campo magnético externo, descubrieron que, de hecho, podían captar varias resonancias entre átomos de sodio y moléculas de sodio-litio, de lo que informaron el año pasado.

Luego, como informa el equipo en el estudio actual, el estudiante graduado Park analizó más de cerca los datos.

« Ella descubrió que una de esas resonancias no involucraba átomos », dice Ketterle. « Ella voló los átomos con luz láser, y una resonancia todavía estaba allí, muy aguda, y solo involucraba moléculas ».

Park descubrió que las moléculas parecían desaparecer, una señal de que las partículas sufrieron una reacción química, mucho más rápido de lo normal, cuando estaban expuestas a un campo magnético muy específico.

En su experimento original, Jamison y sus colegas aplicaron un campo magnético que variaron en un amplio rango de 1000 gaussianos. Park descubrió que las moléculas de sodio-litio desaparecieron repentinamente, 100 veces más rápido de lo normal, dentro de una pequeña porción de este rango magnético, a aproximadamente 25 mili-gaussianos. Eso es equivalente al ancho de un cabello humano comparado con un palo de un metro de largo.

« Se necesitan medidas cuidadosas para encontrar la aguja en este pajar », dice Park. « Pero usamos una estrategia sistemática para acercarnos a esta nueva resonancia ».

Al final, el equipo observó una fuerte señal de que este campo en particular resonaba con las moléculas. El efecto mejoró la posibilidad de que las partículas se unieran en un breve complejo intermedio que luego desencadenó una reacción que hizo que las moléculas desaparecieran.

En general, el descubrimiento proporciona una comprensión más profunda de la dinámica molecular y la química. Si bien el equipo no anticipa que los científicos puedan estimular la resonancia y dirigir las reacciones al nivel de la química orgánica, algún día podría ser posible hacerlo a escala cuántica.

« Uno de los temas principales de la ciencia cuántica es el estudio de sistemas de complejidad creciente, especialmente cuando el control cuántico está potencialmente a la vista », dice John Doyle, profesor de física en la Universidad de Harvard, que no participó en la investigación del grupo. « Este tipo de resonancias, que se observaron primero en átomos simples y luego en otros más complicados, llevaron a avances sorprendentes en la física atómica. Ahora que esto se ve en las moléculas, primero debemos entenderlo en detalle y luego dejar que la imaginación divague y pensar qué podría ser bueno para, tal vez, construir moléculas ultrafrías más grandes, tal vez estudiar estados interesantes de la materia ».

Esta investigación fue apoyada, en parte, por la Fundación Nacional de Ciencias y la Oficina de Investigación Científica de la Fuerza Aérea de EE. UU.