Esclarecer los secretos de las colisiones moleculares a bajas temperaturas
A altas temperaturas, las moléculas se comportan como bolas de billar. Sin embargo, a temperaturas muy bajas, la mecánica cuántica prevalece, lo que hace que las moléculas ya no se comporten como «bolas de billar convencionales», sino como ondas cuánticas. «Durante una colisión, estas “ondas” empiezan a interferir, dando lugar a nuevos y extraños fenómenos de colisión molecular que no se observan a altas temperaturas», explica Sebastiaan van de Meerakker, coordinador del proyecto FICOMOL(se abrirá en una nueva ventana) en la Universidad de Radboud(se abrirá en una nueva ventana) (los Países Bajos). «Estos fenómenos se predijeron hace decenios, pero hasta ahora han sido difíciles de observar experimentalmente, debido a lo complicado que resulta estudiar colisiones moleculares a temperaturas lo bastante bajas».
Dirigir colisiones moleculares con campos eléctricos
El proyecto FICOMOL, que contó con el apoyo del Consejo Europeo de Investigación(se abrirá en una nueva ventana) (CEI), tenía como objetivo superar esta limitación. «Para ello, desarrollamos métodos que permiten alcanzar temperaturas tan bajas como casi100 milikelvin —explica van de Meerakker—. También dimos los primeros pasos para diseñar “mandos de control” basados en campos eléctricos para dirigir las colisiones moleculares». Se utilizó un desacelerador de Stark para modificar la velocidad de avance de las moléculas, y hexápolos curvos para modificar su trayectoria. De este modo, el equipo del proyecto dejó que las moléculas interactuaran entre sí con una velocidad relativa muy baja. «Como en la práctica la temperatura es una medida del movimiento relativo de las moléculas, nuestra técnica posibilitó estudiar colisiones a temperaturas de hasta 100 milikelvin, sin necesidad de recurrir a métodos criogénicos», comenta van de Meerakker. Las colisiones se detectaron con láseres muy potentes y, a continuación, se representaron en dos dimensiones, lo que contribuyó a determinar la velocidad y la dirección del rebote de las moléculas tras la colisión.
Fenómenos de dispersión a bajas temperaturas
Estas técnicas facilitaron que el equipo del proyecto investigara y descubriera nuevos fenómenos de dispersión a bajas temperaturas. «Esta investigación es puramente fundamental, y su principal motivación fue la curiosidad científica», comenta van de Meerakker. «Sin embargo, podría tener aplicaciones importantes. Por ejemplo, los científicos que trabajan con moléculas frías están desarrollando métodos para utilizar moléculas individuales en ordenadores cuánticos. Para ello, comprender a fondo las propiedades de las colisiones entre moléculas individuales a bajas temperaturas es un requisito básico». Otras aplicaciones podrían incluir la astroquímica. «Sabemos que la región interestelar en el universo está llena de moléculas que interactúan entre sí», recalca van de Meerakker. «Podemos analizar la composición química del espacio interestelar con telescopios espaciales. Así las cosas, para interpretar y modelizar estas observaciones, es necesario contar con un mejor conocimiento de las propiedades de las colisiones entre moléculas individuales a bajas temperaturas».
Dispositivos cuánticos basados en moléculas individuales
Las líneas de investigación futuras se centrarán en dos aspectos clave. «Hemos alcanzado temperaturas lo bastante bajas como para empezar a manipular las colisiones con campos eléctricos o magnéticos externos —comenta van de Meerakker—. En los próximos años, esperamos desencadenar todo el potencial de este “control adicional”». En segundo lugar, van de Meerakker y sus colaboradores se proponen desarrollar nuevos métodos para reducir las temperaturas alcanzables en otros dos o tres órdenes de magnitud. Para avanzar en estos objetivos, se ha otenido una Advanced Grant del CEI, que permitirá trabajar en ellos durante los próximos cinco años. «La esperanza es que logremos esclarecer todos los secretos de las colisiones moleculares a bajas temperaturas, a una escala de mecánica cuántica completa —concluye van de Meerakker—. A la larga, esto podría dar lugar a nuevos dispositivos cuánticos basados en moléculas individuales, los cuales podrían beneficiar a diversas áreas de investigación, desde la ciencia atmosférica hasta la astroquímica».
