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Molecular Billiards in Slow Motion

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Unos nuevos métodos revelan la verdadera naturaleza cuántica de las colisiones moleculares

La observación y el control de las colisiones moleculares se consideran desde hace tiempo como el Santo Grial de los fisicoquímicos. Unos nuevos métodos desarrollados en el marco del proyecto MOLBIL lo permiten tanto para moléculas «eléctricas» como «magnéticas».

Investigación fundamental

Si bien las moléculas que colisionan pueden reaccionar químicamente, en la mayoría de los casos solamente se transfiere energía entre ellas: acaban rotando un poco más rápido o moviéndose más lentamente. Este hecho aparentemente simple desempeña un papel clave en una variedad asombrosamente amplia de procesos: la formación de estrellas y planetas, la combustión, el equilibrio térmico de la atmósfera e incluso en procesos de algunos ordenadores cuánticos. Ya se tiene un buen conocimiento de estas colisiones a elevados niveles de energía. Sin embargo, las colisiones de baja energía, son un asunto totalmente distinto: solo la mecánica cuántica puede describir el proceso de dispersión. Faltaban métodos adecuados hasta que el proyecto MOLBIL (Molecular Billiards in Slow Motion) encontró una forma de representar la verdadera naturaleza cuántica de las colisiones moleculares. El profesor Dr. Sebastiaan van de Meerakker ha desarrollado junto con su equipo unos métodos para controlar plenamente el movimiento molecular previo a la colisión, de forma que se garantiza que la colisión tenga lugar en unas condiciones sumamente bien definidas. Este control permite tomar fotos con «zoom» del proceso, revelando así los mecanismos de colisión que, de otro modo, permanecerían ocultos. «La primera tarea consiste en controlar minuciosamente la velocidad de las moléculas, de forma que se obtenga un resultado que podamos interpretar más fácilmente» explica el profesor Dr. van de Meerakker, coordinador de MOLBIL. «Es algo así como un fabricante de coches que lleva a cabo una prueba de choque: no se aprende mucho analizando el accidente de coche si desconoces la velocidad a la que se conducía antes del momento del impacto». El desacelerador Stark, que controla la velocidad, es lo que hace únicos los resultados de MOLBIL, tal y como explica el profesor Dr. van de Meerakker: «Además de controlar la velocidad absoluta de las moléculas, también podemos controlar el rango de velocidad de un conjunto de moléculas que participan en el proceso de colisión. Lo primero es importante para controlar o registrar la energía de la colisión, mientras que lo último lo es para registrar la energía de colisión en alta resolución (incertidumbre de la energía de colisión)». Este método permitió que el equipo observara los fenómenos de dispersión que se habían predicho teóricamente décadas antes, pero que todavía tenían que observase experimentalmente. Estos incluyen oscilaciones de difracción cuántica, resonancias de dispersión de baja energía o correlaciones de pares de productos. Dado que el desacelerador Stark solo funciona con moléculas «eléctricas» (las que poseen un momento dipolar eléctrico) y no con las magnéticas, el equipo también utilizó un desacelerador Zeeman. «Empleando una serie de electroimanes, podemos controlar plenamente las moléculas magnéticas, lo cual nos permite estudiar todo un nuevo grupo entero de átomos y moléculas. Los desaceleradores Zeeman no son nuevos, pero hemos desarrollado un nuevo concepto que se ha optimizado específicamente para los experimentos relacionados con la colisión molecular», añade el profesor Dr. van de Meerakker. En conjunto, los hallazgos de MOLBIL aportan datos que cuestionarán las ideas preconcebidas de los teóricos que intentan resolver ecuaciones de mecánica cuántica. Si bien esto no dará lugar a la comercialización de productos a corto plazo, el profesor Dr. van de Meerakker está seguro de que lo aprendido con el proyecto beneficiará a muchos campos científicos distintos, como la investigación de gases cuánticos, la astrofísica y la meteorología. Y, aunque el proyecto ya ha concluido, el profesor Dr. van de Meerakker tiene la intención de seguir con su investigación. «Las energías de colisión que hemos logrado hasta ahora corresponden a colisiones entre moléculas presentes en gases a una temperatura de unos diez grados Kelvin (y superiores). Esto ya es una energía muy baja, pero ahora prevemos modificar el aparato para conseguir unas temperaturas incluso inferiores. Aunque esto puede parecer una pequeña variación, en realidad tiene grandes implicaciones», concluye el profesor Dr. van de Meerakker.

Palabras clave

MOLBIL, colisiones moleculares, moléculas, baja energía, mecánica cuántica

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