Capturan por primera vez la sombra cuántica de una molécula suspendida en helio superfluido

Cuando una molécula se encuentra confinada en el entorno extremo de una diminuta gota de helio superfluido, sus propiedades dejan de comportarse como esperaríamos en el mundo clásico. Bajo estas condiciones, los efectos cuánticos se vuelven evidentes, y la partícula ya no tiene una posición bien definida, sino que se extiende como una nube de probabilidad en el espacio. Esto es justamente lo que un grupo de investigadores ha conseguido observar de manera indirecta: la extensión espacial real de una función de onda molecular, su “sombra cuántica”, atrapada dentro de un nanogota de helio (¿Sabías que el helio no se descubrió en la Tierra?).

Este experimento, dirigido por el físico Wenbin Zhang en la Universidad Normal del Este de China, marca un hito en el estudio de la materia en condiciones extremas. El equipo ha logrado demostrar, con precisión experimental y respaldo teórico, cómo una molécula puede encontrarse localizada o deslocalizada dentro de un entorno cuántico según su masa y el confinamiento que la rodea. Los resultados se han publicado en Physical Review Letters y han sido destacados por la revista Physics por su originalidad y repercusión en el campo de la física cuántica y la nanotecnología.

El contexto: materia que se comporta como onda

En física cuántica, toda partícula puede describirse también como una onda. Esta idea, introducida por Louis de Broglie hace más de un siglo, implica que una molécula no está en un solo punto, sino que se “reparte” en el espacio. A esa distribución se la conoce como función de onda, y su tamaño efectivo depende de factores como la masa de la partícula y la temperatura del entorno.

En el nuevo experimento, los investigadores trabajaron con moléculas de hidrógeno (H₂) y deuterio (D₂), esta última una versión más pesada del hidrógeno. Cada una fue insertada dentro de una gota de helio superfluido de tan solo 2 nanómetros de tamaño, que proporciona un ambiente cuántico ideal: extremadamente frío y sin fricción. A esta escala, las propiedades de la molécula y del propio entorno se entrelazan, modificando el comportamiento de la función de onda.

La temperatura del sistema, de solo 0,37 kelvin, favorece que la longitud de onda de de Broglie térmica de las moléculas se expanda considerablemente. Como señalan los autores, “la λdB de la molécula H₂ a 300 K es aproximadamente 0,071 nm, pero aumenta a 2,02 nm a 0,37 K”. Es decir, su función de onda se vuelve tan grande como la propia gota.

Una gota como trampa cuántica

Las gotas de helio superfluido actúan como un entorno de confinamiento que modifica el comportamiento de las moléculas introducidas en su interior. Lo interesante es que ese confinamiento no es rígido ni estático: se trata de una trampa fluida, donde los átomos de helio interactúan débilmente con la molécula mediante fuerzas de van der Waals.

Este tipo de confinamiento crea lo que se conoce como pozo de potencial efectivo, en el que la molécula puede quedar atrapada más o menos intensamente, dependiendo de su masa. El equipo logró comprobar que, en este entorno, las moléculas más ligeras como el H₂ tienden a deslocalizarse, mientras que las más pesadas como el D₂ o el O₂ quedan confinadas en regiones más pequeñas.

Una de las claves del estudio fue relacionar esta localización con los efectos que provoca en los electrones emitidostras la ionización con un pulso láser. Las moléculas fueron excitadas mediante un pulso ultravioleta que expulsó un electrón. Posteriormente, la trayectoria y el patrón angular de ese electrón permitió deducir la forma y el tamaño de la función de onda original.

Detectando una sombra cuántica

Los resultados se midieron utilizando una técnica conocida como COLTRIMS (Cold Target Recoil-Ion Momentum Spectroscopy), que permite registrar con gran precisión el momento de cada electrón emitido. Al analizar las distribuciones angulares de los electrones (PMD, por sus siglas en inglés), los científicos identificaron estructuras llamadas anillos ATI con nodos característicos.

Estas estructuras, en condiciones normales, se presentan claramente definidas. Pero si el electrón sufre muchas colisiones internas al escapar del nanodrople, las estructuras se difuminan. Por tanto, la nitidez de esos patrones es una señal directa del nivel de deslocalización de la molécula dentro de la gota.

En palabras de los autores, “las estructuras nodales características observadas en fase gaseosa permanecen claras y visibles para HeH⁺, pero se ven borrosas para HeD⁺”. Esto significa que la molécula de hidrógeno estaba tan extendida dentro del nanodrople como el propio volumen de la gota, mientras que el deuterio, más pesado, permanecía más confinado.

El contraste cuantificado en los datos fue significativo: 40% para H₂, 10% para HeH⁺, y solo 0,8% para HeD⁺. Estas cifras muestran de forma convincente la diferencia entre localización y deslocalización en este sistema cuántico.

Simulaciones que refuerzan los datos

Para respaldar los resultados experimentales, el equipo también desarrolló simulaciones de Monte Carlo y soluciones de la ecuación de Schrödinger adaptadas al entorno del nanodrople. Estas simulaciones permitieron estimar cómo varía la función de onda en función del tamaño de la gota y de la masa de la molécula.

En estas simulaciones, se calculó la probabilidad de que un electrón emitido sufra colisiones al escapar del entorno de helio. Para H₂, una gran parte de los electrones escapaban sin colisiones, lo que confirma su distribución amplia y difusa. Para D₂ y O₂, en cambio, los electrones colisionaban con frecuencia, difuminando las estructuras nodales.

Además, el estudio exploró cómo varía este efecto si se cambia el tamaño del nanodrople. En gotas más grandes, incluso el H₂ tiende a quedar más confinado, aumentando la probabilidad de colisiones y reduciendo la claridad de las estructuras. Esto sugiere que la relación entre el tamaño de la función de onda y el entorno es clave para entender estos efectos.

Más allá de una imagen: aplicaciones futuras

Lo más relevante de este trabajo no es solo que se haya podido visualizar indirectamente una función de onda, sino que se ha desarrollado una nueva técnica experimental para explorar la localización cuántica en sistemas confinados. Esta metodología tiene implicaciones potenciales en el diseño de dispositivos a nanoescala, donde el control de los efectos cuánticos es esencial.

Los autores concluyen que “nuestro artículo introduce un método novedoso para medir la solvatación de impurezas ligeras en helio superfluido” y destacan que esta herramienta abre posibilidades para “explorar las características espaciales de la función de onda de una molécula, tal como la determina el potencial de confinamiento de la gota”.

Estos avances podrían ser aplicables en química cuántica, desarrollo de sensores moleculares, e incluso en simulaciones de estados exóticos de la materia. Estudiar cómo una molécula se comporta en un entorno cuántico controlado permite entender mejor los límites entre lo clásico y lo cuántico, una de las fronteras más activas de la física actual.

Cortesía de Muy Interesante

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