Físicos del MIT han observado por primera vez una resonancia en moléculas ultrafrías en colisión, arrojando luz sobre las misteriosas fuerzas que impulsan a las moléculas a reaccionar químicamente

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

Los resultados, publicados en Nature, también sugieren que los científicos podrían algún día aprovechar las resonancias naturales de las partículas para dirigir y controlar determinadas reacciones químicas.

"Es la primera vez que se observa una resonancia entre dos moléculas ultrafrías", afirma en un comunicado Wolfgang Ketterle, autor del estudio y catedrático de Física del MIT. "Se había sugerido que las moléculas son tan complicadas que son como un bosque denso, en el que no se podría reconocer una sola resonancia. Pero encontramos un gran árbol que sobresalía, por un factor de 100. Observamos algo completamente inesperado".

En una nube de moléculas se producen colisiones constantemente. Las partículas pueden chocar entre sí como frenéticas bolas de billar o pegarse en un estado breve pero crucial conocido como "complejo intermedio" que 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", explica el coautor Alan Jamison, estudiante postdoctoral del MIT. "Pero cuando están en resonancia, la velocidad de paso a ese estado aumenta drásticamente".

"El complejo intermedio es el misterio que se esconde detrás de toda la química", añade Ketterle. "Normalmente, se conocen los reactantes y los productos de una reacción química, pero no cómo uno lleva al otro. Saber algo sobre la resonancia de las moléculas puede darnos una huella dactilar de este misterioso estado intermedio."

El grupo de Ketterle ha buscado indicios de resonancia en átomos y moléculas superenfriados, a temperaturas justo por encima del cero absoluto. Estas condiciones de ultracongelación inhiben el movimiento aleatorio de las partículas, impulsado por la temperatura, lo que ofrece a los científicos más posibilidades de reconocer signos más sutiles de resonancia.

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

"Las moléculas son mucho más complicadas que los átomos", explica Ketterle. "Tienen muchos estados vibracionales y rotacionales diferentes. Por eso no estaba claro si las moléculas mostrarían resonancias".

Hace varios años, Jamison, que por aquel entonces era postdoctorando en el laboratorio de Ketterle, propuso un experimento similar para ver si podían observarse señales de resonancia en una mezcla de átomos y moléculas enfriados a una millonésima de grado por encima del cero absoluto. Variando un campo magnético externo, descubrieron que podían captar varias resonancias entre átomos de sodio y moléculas de sodio-litio, según informaron el año pasado.

Después, tal y como informa el equipo en el estudio actual, la estudiante de posgrado Park analizó los datos más detenidamente.

"Descubrió que una de esas resonancias no implicaba átomos", explica Ketterle. "Destruyó los átomos con luz láser y una de las resonancias seguía ahí, muy nítida, y sólo afectaba a las moléculas".

Park descubrió que las moléculas parecían desaparecer -señal de que las partículas sufrían una reacción química- mucho más rápido de lo que lo harían normalmente, cuando se exponían 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 1.000 Gauss. Park descubrió que las moléculas de sodio-litio desaparecían de repente, 100 veces más rápido de lo normal, dentro de una pequeña franja de este rango magnético, a unos 25 mili-gauss. Eso equivale a la anchura de un cabello humano en comparación con un palo de un metro de largo.

"Se necesitan mediciones cuidadosas para encontrar la aguja en este pajar", afirma Park. "Pero utilizamos una estrategia sistemática para acercarnos a esta nueva resonancia".

Al final, el equipo observó una fuerte señal de que este campo concreto resonaba con las moléculas. El efecto aumentaba la probabilidad de que las partículas se unieran en un breve complejo intermedio que luego desencadenaba una reacción que hacía desaparecer las moléculas.