Un equipo internacional de científicos ha proporcionado la primera prueba de un nuevo estado exótico de la materia, conocido como polarones de Rydberg.

Este estado de la materia se forma a temperaturas ultra frías, cuando un electrón orbita su núcleo a una distancia tan grande que otros átomos terminan unidos dentro de la órbita. Todos estos átomos forman un enlace débil que genera los polarones de Rydberg.

Puedes ver una ilustración de este «átomo gigante» lleno de átomos: el azul es el electrón, el núcleo es rojo, y dentro de la órbita del electrón hay un montón de otros átomos (verde).

Entonces, ¿cómo funciona realmente?

Si tomas un montón de átomos de estroncio, los relajas y luego te excitas, notarás algo extraño: ese átomo feliz arreglará una pila de abrazos con sus amigos más cercanos.

Más que un simple equivalente físico de ver cuántas uvas puede caber en su boca, la forma en que este extraño sabor de la molécula mutante se adhiere puede proporcionar algunas ideas sobre cómo las partículas interactúan a temperaturas extremadamente bajas.

Recordando los viejos diagramas de un átomo en su libro de texto de ciencias de la escuela secundaria, es posible que recuerde que hay un espacio entre las órbitas del electrón y el núcleo.

La física de partículas en el mundo real es un poco diferente: los electrones no tienden a deslizarse como lunas alrededor de los planetas, sino que existen en nubes de probabilidad.

Aún así, esa nube de posiciones potenciales se encuentra al borde de una distancia donde es menos probable que encuentres un electrón, y los físicos se han preguntado si es posible exprimir otro átomo entero dentro de esa brecha.

Para probar esto, un equipo de investigadores de EE. UU. Y Austria combinó los estudios de condensado de Bose-Einstein con la creación de objetos llamados átomos de Rydberg.

Cuando absorbe la mayor cantidad posible de energía térmica de una colección de átomos, estos tienden a perder sus identidades individuales y a compartir los estados cuánticos de los demás.

Esa fase de la materia se conoce como condensado de Bose-Einstein , y si bien es un desafío obtener partículas a temperaturas cercanas al cero absoluto, hace las condiciones perfectamente silenciosas necesarias para estudiar sus propiedades cuánticas.

En este caso, los investigadores congelaron una cantidad de átomos de estroncio en un condensado y luego golpearon uno de ellos con un láser.

El objetivo era golpearlo de la manera correcta para impulsar uno o más de sus electrones en un orbital lejos del núcleo, creando un estado excitado llamado átomo de Rydberg.

¿Qué tan lejos del núcleo estamos hablando?

«La distancia promedio entre el electrón y su núcleo puede ser de varios cientos de nanómetros«, dice el físico teórico de partículas Joachim Burgdörfer de TU Wien en Viena.

Para la perspectiva, eso es más de mil veces el radio de un átomo de hidrógeno, seguramente suficiente espacio para deslizarse en al menos un átomo entero.

Las simulaciones por computadora indicaban que la distancia entre los átomos sería mucho menor que la distancia entre el electrón y su núcleo. Teóricamente, este salto cuántico debería dejar espacio para que 170 átomos de estroncio cercanos entren dentro del nuevo orbital.

La gran pregunta era cómo el grupo de átomos en este inusual abrazo podría afectarse entre sí, si es que lo hacía.

«Los átomos no llevan carga eléctrica, por lo tanto, solo ejercen una fuerza mínima sobre el electrón«, dice su compañero físico Shuhei Yoshida , también de TU Wien.

Pero el electrón excitado todavía es empujado suavemente por los átomos de estroncio entre él y el núcleo.

No es suficiente moverlo de su órbita, pero este ligero efecto de dispersión debería ser suficiente para reducir la cantidad total de energía en el sistema.

Tal caída en la energía podría establecer teóricamente un vínculo débil entre el átomo de Rydberg y los otros átomos de estroncio que se sientan silenciosamente dentro de la órbita de su electrón, lo que se conoce como los polarones Rydberg, un fenómeno que encontraron evidencia en los resultados del experimento.

«Es una situación muy inusual«, dice Yoshida.

«Normalmente, estamos lidiando con núcleos cargados que unen electrones alrededor de ellos. Aquí tenemos un electrón que une átomos neutros«.

No esperes construir nada a partir de estos polarones moleculares de Rydberg. Ese no es el punto.

Lo que es interesante es la capacidad de manipular átomos en un condensado en estados tan extraños.

«Para nosotros, este nuevo y debilitado estado de la materia es una nueva y emocionante posibilidad de investigar la física de átomos ultrafríos«, dice Burgdörfer.

«De esa forma, uno puede sondear las propiedades de un condensado de Bose-Einstein en escalas muy pequeñas con una precisión muy alta«.

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