Un haz de luz invisible para el ojo humano fue suficiente para que, por primera vez, una molécula estable quedara atrapada en el interior de una trampa cuántica. No hubo espectáculo visual, pero sí un logro técnico que marca un antes y un después en la física experimental. El protagonista de esta historia es el fluoruro de aluminio, una molécula sencilla pero extraordinariamente difícil de manipular, que ha sido enfriada y detenida con la ayuda de láseres de luz ultravioleta profunda.
Este avance, conseguido por un equipo del Instituto Fritz Haber de la Sociedad Max Planck, no es solo un experimento exitoso. Es la validación de una idea largamente perseguida: poder aplicar las técnicas más sofisticadas del control cuántico a moléculas estables, abriendo así nuevas posibilidades en investigación fundamental, metrología de precisión y simulaciones cuánticas. El hallazgo fue publicado en la revista Physical Review Letters tras más de ocho años de trabajo experimental.
Por qué atrapar una molécula es tan difícil
Enfriar y atrapar átomos ya no es una hazaña. Existen relojes atómicos que se basan en estas técnicas, e incluso proyectos de computación cuántica que utilizan átomos ultrafríos. Sin embargo, hacer lo mismo con moléculas ha sido siempre mucho más complejo. Las moléculas no solo tienen más masa: también vibran, giran y presentan una estructura energética más enredada que la de los átomos.
La técnica empleada, conocida como trampa magneto-óptica, combina campos magnéticos con haces láser para frenar y retener partículas en un pequeño espacio. En átomos funciona bien, pero en moléculas el éxito ha estado limitado a unas pocas especies reactivas. En el caso del fluoruro de aluminio, la dificultad era doble. Por un lado, se trata de una molécula muy estable y poco reactiva, lo que impide manipularla fácilmente; por otro, las transiciones energéticas necesarias para atraparla requieren láseres que operen en una zona muy difícil del espectro electromagnético.
El fluoruro de aluminio, una nueva estrella cuántica
Lo que hace especial al fluoruro de aluminio es su estabilidad. Tiene un enlace químico muy fuerte, lo que significa que no se desintegra ni reacciona con facilidad, incluso a temperaturas extremadamente bajas. Eso lo convierte en un candidato ideal para experimentos de física cuántica que exigen condiciones de control extremo. Además, sus propiedades electrónicas permiten que se le pueda aplicar un tipo de enfriamiento y control que, hasta ahora, no había sido viable con moléculas de este tipo.
Una de las novedades clave del experimento fue lograr atrapar la molécula en tres niveles rotacionales distintos. Esto no se había conseguido antes con moléculas estables, y supone una ventaja significativa. Según explican los autores del estudio, “cambiamos de nivel ajustando las frecuencias láser utilizadas para ralentizar y atrapar las moléculas”. Poder seleccionar con precisión en qué estado rotacional se encuentra una molécula abre puertas a experimentos más complejos y a nuevas formas de simulación cuántica.
Una trampa hecha de luz ultravioleta
El experimento requirió cuatro sistemas láser diseñados para operar en el rango del ultravioleta profundo, alrededor de los 227,5 nanómetros. Esta es una de las regiones más desafiantes del espectro de luz para trabajar en laboratorio, tanto por la dificultad técnica de generar esos haces como por los materiales ópticos necesarios para manipularlos. Los investigadores desarrollaron una serie de componentes específicos que les permitieron producir y dirigir la luz con la precisión necesaria para enfriar las moléculas.
Las moléculas de fluoruro de aluminio se generaron a partir de una reacción entre un blanco sólido de aluminio y gas trifluoruro de nitrógeno. Una vez formadas, eran dirigidas hacia una celda de vacío donde los láseres se encargaban de ralentizarlas y capturarlas. En este proceso, se alcanzaron velocidades de tan solo unos pocos metros por segundo y temperaturas de aproximadamente 14 a 16 milikelvin, es decir, a solo unas milésimas de grado por encima del cero absoluto.
Cómo se midió el éxito del experimento
Para comprobar que las moléculas habían sido realmente atrapadas, el equipo utilizó una técnica llamada fluorescencia inducida por láser. Cuando las moléculas absorben y vuelven a emitir luz, pueden ser detectadas con cámaras especiales. Esto permitió a los investigadores observar directamente la formación de una nube de moléculas frías en el centro de la trampa. En el nivel rotacional más bajo, consiguieron atrapar unas sesenta mil moléculas. En los niveles superiores, el número fue algo menor, pero igualmente relevante.
Además de contar cuántas moléculas fueron atrapadas, el equipo también midió cuánto tiempo permanecían en la trampa. En el mejor de los casos, lograron mantenerlas durante unos 27 milisegundos. Aunque parezca poco, ese tiempo es suficiente para realizar mediciones cuánticas de alta precisión. Los resultados también indican que la mayoría de las pérdidas no se deben a reacciones químicas, sino a pequeñas imperfecciones en el ciclo de enfriamiento láser, lo que se puede mejorar en versiones futuras del experimento.
Lo que depara el futuro
El logro de atrapar y enfriar una molécula estable con luz ultravioleta profunda no es un punto final. Es una plataforma sobre la cual pueden construirse nuevas herramientas para explorar la física de sistemas complejos. Una de las líneas más prometedoras es usar el fluoruro de aluminio para acceder a un estado llamado “metastable”, que podría permitir enfriamientos aún más extremos y mediciones más delicadas.
Los investigadores también planean simplificar el sistema experimental. En lugar de usar equipos costosos y voluminosos para producir las moléculas, esperan desarrollar fuentes de vapor compactas y baratas, similares a las que se emplean con átomos alcalinos. Esto permitiría que otras instituciones repliquen el experimento y lo adapten a nuevas aplicaciones.
Más allá del laboratorio, el fluoruro de aluminio también ha sido detectado en el espacio. Su presencia en nubes interestelares sugiere que es una molécula robusta incluso en condiciones extremas. Poder estudiarla en detalle en la Tierra, bajo control cuántico, abre un puente entre la física experimental y la astrofísica.
Referencias
- J. E. Padilla-Castillo, J. Cai, P. Agarwal, P. Kukreja, R. Thomas, B. G. Sartakov, S. Truppe, G. Meijer y S. C. Wright. Magneto-optical trapping of aluminum monofluoride. Physical Review Letters, 2025. DOI: 10.48550/arxiv.2506.02266.
Cortesía de Muy Interesante
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