Estaba un día un átomo muy tranquilo en su estado más frío cuando llegó un equipo de científicos a excitarlo, haciendo que nuestro excitado “pequeñín” atrajera a otros átomos a su interior, dando como resultado lo que hoy se conoce como Polarones de Rydberg, algo que podría ser considerado un nuevo estado de la materia.
¿Qué significa esto y cómo fue descubierto? Así definen al polarón en Wikipedia:
“Un polarón es una cuasipartícula compuesta por un electrón y un campo de deformaciones asociado. Cuando un electrón se mueve lentamente por el interior de un cristal puede producir una deformación en la red cristalina que lo rodea al interaccionar con los átomos próximos. Esta deformación se liga al electrón que la ha creado, y se desplaza junto a él a través de la red, dando lugar a un polarón”.
En un artículo publicado en la la revista Physical Review Letters, un equipo científico conformado por investigadores de la Universidad Técnica de Viena, la Universidad de Harvard y la Universidad de Rice, explicaron que dentro de los átomos, entre el núcleo y el electrón, generalmente no hay nada. De hecho hay mucho espacio, tanto que podría caber un “átomo gigante”.
El electrón (azul) orbita el núcleo (rojo) y su órbita encierra muchos otros átomos del condensado de Bose-Einstein (verde).
El estudio fue liderado por el profesor Joachim Burgdörfer, quien junto con el profesor Shuhei Yoshida (ambos de la Universidad Técnica de Viena), ha estudiado las propiedades de los átomos de Rydberg durante años. Según Burgdörfer: “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”,
Para comprobar esto, los científico pusieron átomos de estroncio en un estado conocido como condensado de Bose-Einstein (que es otro estado de la materia que se da en ciertos materiales a temperaturas cercanas al cero absoluto en el que las partículas pasan a nivel de mínima energía), y bombardearon uno de estos átomos con rayos láser, convirtiéndolo en un átomo de Rydberg con un enorme radio atómico.
Esquema de la excitación de un polarón de Rydberg en un Condensado de Bose-Einstein de densidad uniforme. La excitación láser proyecta el sistema en configuraciones finales que involucran átomos en estados unidos y dispersos
Lo que sorprendió a los investigadores fue el radio de la órbita del átomo excitado, donde el electrón se mueve alrededor del núcleo, que fue mucho mayor a la distancia típica entre dos átomos en el condensado. Así, descubrieron que el electrón no solo orbita su propio núcleo atómico, hay muchos más compartiendo ese mismo camino. “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”, escribió la Universidad Técnica de Viena en una entrada de su blog en la que explican el procedimiento.
“Los átomos no llevan carga eléctrica, por lo tanto, solo ejercen una fuerza mínima sobre el electrón. 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”, explica Shuhei Yoshida.
Las simulaciones por computadora demostraron que este tipo de interacción “comparativamente débil disminuye la energía total del sistema”, creando un vínculo entre el átomo de Rydberg y los otros átomos dentro de la órbita electrónica. De acuerdo con Yoshida: “Es una simulación muy inusual, estamos lidiando con núcleos cargados que unen electrones alrededor de ellos. Aquí tenemos un electrón que une átomos neutros”.
El trabajo teórico fue realizado en la Universidad Técnica de Viena y en la Universidad de Hardvard, y el experimental se hizo en la Universidad de Rice en Houston (Texas). Este descubrimiento es tan nuevo y sorprendió tanto a los científicos que ni siquiera han pensado para lo que podría servir. Sin embargo, la importancia del descubrimiento radica en que la ciencia está entendiendo como se comporta la materia en las temperaturas más bajas posibles.
