Un nuevo método de enfriamiento permite ejecutar experimentos de química cuántica en el laboratorio
Uno de los mayores retos a los que se enfrentan los investigadores de ciencias moleculares es la observación de reacciones químicas a baja temperatura. Esto equivale a recrear condiciones similares a las del espacio interestelar —donde las reacciones tienen lugar a varios kelvin— y, de hecho, es esencial para describir los procesos que tienen lugar dentro de un régimen cuántico profundo. Sin embargo, mientras que el enfriamiento láser de átomos ya ha revolucionado la física atómica, el enfriamiento de moléculas ha demostrado ser una tarea mucho más compleja. Para eludir este problema, el proyecto QuCC ha tornado su mirada hacia el pasado. Concretamente, se ha remontado a hace cincuenta años, cuando los químicos pioneros Dudley Herschbach y Yuan T. Lee (ambos galardonados con el Premio Nobel en 1986) idearon un método sencillo para el enfriamiento de cualquier gas. «Este método de enfriamiento está basado en la expansión adiabática de un gas desde unas condiciones de alta presión a condiciones de vacío», explicar el doctor Ed Narevicius, coordinador del proyecto QuCC en nombre del Instituto Científico Weizmann. Sin embargo hubo un problema. Durante la expansión, el gas efectivamente se enfría a temperaturas inferiores a 1 K, pero la «nube» de gas también se acelera a velocidades muy altas. Cuando dos de estas «nubes» de gases fríos que transportan reactivos chocan a velocidades relativas muy altas, su colisión da como resultado temperaturas superiores a 300 K. El doctor Narevicius comenta: «Hemos resuelto este problema llevando a cabo nuestros experimentos de colisión en el marco móvil de referencia. Hemos fusionado dos nubes usando un gradiente de campo magnético muy fuerte. Este sencillo paso nos ayudó a dividir por mil la energía de colisión en comparación con lo logrado en trabajos anteriores. Esto nos permite ahora realizar de manera rutinaria experimentos que revelan diferentes aspectos de las propiedades de las ondas de materia en colisiones moleculares». Gracias a este hallazgo, el equipo del proyecto logró demostrar experimentalmente los fenómenos esquivos de las resonancias cuánticas en colisiones reactivas de baja energía. Descubrió que, a baja energía, las partículas que atraviesan una barrera de potencial (fenómeno conocido como efecto túnel) pueden terminar «atrapadas», y orbitando, unas al lado de otras. «Estos estados singulares pueden observarse midiendo la probabilidad de la velocidad de reacción en función de la energía de colisión. Siempre que la energía de colisión coincidía con la posición de resonancia, pudimos observar un aumento muy fuerte, en algunos casos de diez veces, en la reactividad. Sorprendentemente, las reacciones energéticas que eran fuertemente suprimidas a temperaturas subkelvin transcurrieron tan rápido como lo harían a temperatura ambiente», explica el doctor Narevicius. Gracias al empleo de estas resonancias cuánticas como sondas de interacción molecular altamente sensibles, el doctor Narevicius y su equipo han descubierto nuevos efectos que tienen una gran importancia para la molécula más abundante en el espacio interestelar: el hidrógeno. Los investigadores demostraron, en concreto, que la estructura molecular de rotación desempeña un papel clave en las interacciones con otros cuerpos. El hidrógeno molecular en el estado de rotación fundamental se comporta como una «esfera» simétrica, mientras que el hidrógeno molecular en estado de rotación excitado adopta una conformación diferente y reacciona a una velocidad diferente. El equipo también descubrió un nuevo efecto isotópico que puede modificar drásticamente las velocidades de reacción que tienen lugar a través de los efectos cuánticos a bajas energías de colisión. Ahora que el proyecto ha llegado a su fin, el equipo tiene previsto centrar sus investigaciones futuras en la reducción de la temperatura en otro factor de mil. De este modo, se alcanzaría el régimen bajo el cual las moléculas tienen que seguir las estadísticas de Bose o Fermi. «Esta es una nueva frontera de las ciencias moleculares, donde muchas preguntas aguardan respuesta y se prevén numerosas aplicaciones potenciales en campos como la física química, la información cuántica y la espectroscopia de precisión», concluye el doctor Narevicius.
Palabras clave
QuCC, química cuántica, interestelar, baja temperatura, ciencias moleculares, régimen cuántico profundo