Después de disparar los láseres y bombardear las moléculas con luz, los científicos se reunieron alrededor de la cámara para comprobar los resultados. Al ver hasta dónde se expandieron estas moléculas frías, sabrían casi instantáneamente si estaban en el camino correcto o no para trazar nuevos caminos en la ciencia cuántica al ser los primeros en enfriar (también conocido como ralentizar) una molécula de seis átomos particularmente compleja sin usar nada. pero ligero.

« Cuando comenzamos con el proyecto éramos optimistas, pero no estábamos seguros de ver algo que mostrara un efecto muy dramático », dijo Debayan Mitra, investigador postdoctoral en el Grupo de Investigación Doyle de Harvard. « Pensamos que necesitaríamos más evidencia para demostrar que en realidad estábamos enfriando la molécula, pero luego, cuando vimos la señal, fue como, ‘Sí, nadie lo dudará ». Era grande y estaba ahí « .

El estudio dirigido por Mitra y el estudiante de posgrado Nathaniel B. Vilas es el foco de un nuevo artículo publicado en Science. En él, el grupo describe el uso de un método novedoso que combina tecnología criogénica y luz láser directa para enfriar la molécula poliatómica no lineal de monometóxido de calcio (CaOCH3) justo por encima del cero absoluto.

Los científicos creen que su experimento marca la primera vez que una molécula compleja tan grande se ha enfriado con luz láser y dicen que abre nuevas vías de estudio en simulación y computación cuántica, física de partículas y química cuántica.

« Este tipo de moléculas tienen una estructura ubicua en los sistemas químicos y biológicos », dijo John M. Doyle, profesor de física Henry B. Silsbee y autor principal del artículo. « Controlar perfectamente sus estados cuánticos es una investigación básica que podría arrojar luz sobre los procesos cuánticos fundamentales en estos bloques de construcción de la naturaleza ».

El uso de láseres para controlar átomos y moléculas, los eventuales componentes básicos de una computadora cuántica, se ha utilizado desde la década de 1960 y desde entonces ha revolucionado la física atómica, molecular y óptica.

La técnica funciona esencialmente disparándoles un láser, lo que hace que los átomos y las moléculas absorban los fotones de la luz y retrocedan en la dirección opuesta. Esto eventualmente los ralentiza e incluso los detiene en seco. Cuando esto sucede, la mecánica cuántica se convierte en la forma dominante de describir y estudiar su movimiento.

« La idea es que en un extremo del espectro hay átomos que tienen muy pocos estados cuánticos », dijo Doyle. Debido a esto, estos átomos son fáciles de controlar con luz, ya que a menudo permanecen en el mismo estado cuántico después de absorber y emitir luz, dijo. « Con las moléculas, tienen un movimiento que no ocurre en los átomos: vibraciones y rotaciones. Cuando la molécula absorbe y emite luz, este proceso a veces puede hacer que la molécula gire o vibre internamente. Cuando esto sucede, ahora se encuentra en un estado cuántico diferente y absorber y emitir luz ya no funciona [to cool it]. Tenemos que ‘calmar la molécula’, deshacernos de su vibración adicional antes de que pueda interactuar con la luz de la manera que queremos « .

Los científicos, incluidos los del Grupo Doyle, que forma parte del Departamento de Física de Harvard y miembro del Centro Harvard-MIT para Átomos Ultrafríos, han podido enfriar varias moléculas utilizando luz, como moléculas diatómicas y triatómicas. cada uno de los cuales tiene dos o tres átomos.

Las moléculas poliatómicas, por otro lado, son mucho más complejas y han demostrado ser mucho más difíciles de manipular debido a todas las vibraciones y rotaciones.

Para evitar esto, el grupo utilizó un método que fueron pioneros para enfriar moléculas diatómicas y triatómicas. Los investigadores instalaron una cámara criogénica sellada donde enfriaron helio por debajo de cuatro Kelvin (eso es cerca de 450 grados bajo cero en Fahrenheit). Esta cámara actúa esencialmente como nevera. Es esta nevera donde los científicos crearon la molécula CaOCH3. Desde el principio, ya se estaba moviendo a una velocidad mucho más lenta de lo que lo haría normalmente, lo que lo hacía ideal para un enfriamiento adicional.

Luego vinieron los láseres. Encendieron dos rayos de luz que llegaban a la molécula desde direcciones opuestas. Estos láseres de contrapropagación provocaron una reacción conocida como enfriamiento de Sísifo. Mitra dice que el nombre es apropiado ya que en la mitología griega Sísifo es castigado por tener que rodar una roca gigante cuesta arriba por la eternidad, solo para que vuelva a rodar hacia abajo cuando se acerca a la cima.

El mismo principio ocurre aquí con las moléculas, dijo Mitra. Cuando dos rayos láser idénticos se disparan en direcciones opuestas, forman una onda de luz estacionaria. Hay lugares donde la luz es menos intensa y hay lugares donde es más fuerte. Esta onda es lo que forma una colina metafórica para las moléculas.

La « molécula comienza en la parte inferior de una colina formada por los rayos láser que se propagan en sentido contrario y comienza a subir esa colina solo porque tiene algo de energía cinética y, a medida que sube esa colina, lentamente, la energía cinética que era su velocidad aumenta ». convertido en energía potencial y se desacelera y desacelera y desacelera hasta llegar a la cima de la colina donde es más lento « , dijo.

En ese punto, la molécula se acerca a una región donde la intensidad de la luz es alta, donde es más probable que absorba un fotón y vuelva a rodar hacia el lado opuesto. « Todo lo que pueden hacer es seguir haciendo esto una y otra vez », dijo Mitra.

Al observar imágenes de cámaras ubicadas fuera de la cámara sellada, los científicos inspeccionan cuánto se expande una nube de estas moléculas a medida que viaja a través del sistema. Cuanto menor es el ancho de la nube, menos energía cinética tiene, por lo tanto, más fría es.

Analizando los datos más a fondo, vieron cuán fríos. Lo llevaron de 22 milikelvin a aproximadamente 1 milikelvin. En otras palabras, solo unas milésimas de decimal por encima del cero absoluto.

En el documento, los científicos establecen formas de enfriar aún más la molécula y establecen algunas de las puertas que abre en una gama de fronteras modernas de investigación física y química. Los científicos explican que el estudio es una prueba de concepto de que su método podría usarse para enfriar otras moléculas complejas cuidadosamente seleccionadas para ayudar al avance de la ciencia cuántica.

« Lo que hicimos aquí fue ampliar el estado del arte », dijo Mitra. « Siempre se ha debatido si alguna vez tendríamos tecnología que sería lo suficientemente buena para controlar moléculas complejas a nivel cuántico. Este experimento en particular es solo un trampolín ».