Científicos de la Universidad Técnica (TU) de Viena, la Universidad de Harvard y la Universidad de Rice, han proporcionado pruebas para un nuevo estado de la materia: un electrón órbita un núcleo a una gran distancia, mientras que muchos otros átomos están unidos dentro de la órbita.
¿Qué hay dentro de un átomo, entre el núcleo y el electrón? Generalmente, no hay nada, pero ¿por qué no podría haber otras partículas también? Si el electrón orbita el núcleo a gran distancia, hay mucho espacio entre otros átomos. Se puede crear un “átomo gigante”, lleno con átomos ordinarios. Todos estos átomos forman un enlace débil, creando un nuevo estado exótico de la materia a bajas temperaturas, conocidos como “polarones de Rydberg”.
El equipo de investigadores presentó este nuevo estado de la materia en la revista Physical Review Letters. El trabajo teórico fue realizado en TU Viena y en la Universidad de Hardvard, y el experimental se realizó en la Universidad de Rice en Houston (Texas).
Materia Ultrafría
Dos campos especialistas en física atómica, que solo puede estudiarse en condiciones extremas, se han combinado en este proyecto: condensado de Bose-Einstein y átomos de Rydberg. Un condensado de Bose-Einstein es un estado de materia creado por átomos a temperaturas ultrafrías, cerca del cero absoluto. Los átomos de Rydberg son átomos en los que un solo electrón se eleva a un estado altamente excitado y orbita el núcleo a una distancia muy grande.
“La distancia promedio entre el electrón y su núcleo puede ser de varios cientos de nanómetros, es decir, más de mil veces el radio de un átomo de hidrógeno”, dice el profesor Joachim Burgdörfer, junto con el profesor Shuhei Yoshida (ambos de la TU), que han estudiado las propiedades de los átomos de Rydberg durante años.
Primero crearon un condensado de Bose-Einstein con átomos de estroncio. Usando un láser, la energía se transfirió a uno de estos átomos, convirtiéndolo en un átomo de Rydberg con un enorme radio atómico. Lo impactante de este átomo, es el radio de la órbita, donde el electrón se mueve alrededor del núcleo, éste es mucho más grande que la distancia típica entre dos átomos en el condensado. Por lo tanto, el electrón no solo orbita su propio núcleo atómico, también se encuentran otros numerosos átomos dentro de su órbita. Dependiendo del radio del átomo de Rydberg y la densidad del condensado de Bose-Einstein, la enorme órbita electrónica puede encerrar hasta 170 átomos adicionales de estroncio.
Los átomos neutros no perturban la órbita de los electrones
Estos átomos apenas tienen influencia en el camino del electrón de Rydberg. “Los átomos no llevan carga eléctrica, por lo tanto, solo ejercen una fuerza mínima sobre el electrón”, dice Yoshida. Pero en un grado muy pequeño, el electrón aún “siente” la presencia de átomos neutros a lo largo de su camino. La física cuántica de los electrones permite este tipo de dispersión, que no transfiere el electrón a un estado diferente.
Como muestran las simulaciones por computadora, este tipo de interacción comparativamente débil disminuye la energía total del sistema, y así se crea un vínculo entre el átomo de Rydberg y los otros átomos dentro de la órbita electrónica. “Es una simulación muy inusual”, dice Yoshida. “Normalmente, estamos lidiando con núcleos cargados que unen electrones alrededor de ellos. Aquí tenemos un electrón que une átomos neutros”.
Este enlace es mucho más débil que el enlace entre los átomos en un cristal.Por lo tanto, este estado exótico de la materia, llamado polarones Rydberg, solo se puede detectar a temperaturas muy bajas. Si las partículas se movieran más rápido , el vínculo se rompería. “Para nosotros, este nuevo y debilitado estado de la materia es una nueva y emocionante posibilidad de investigar la física de los átomos ultrafríos”, dice Burgdörfer. “De esta manera, uno puede sondear las propiedades de un condensado de Bose-Einstein en escalas muy pequeñas con una precisión muy alta”.