Científicos han proporcionado pruebas para un nuevo estado de la materia: un electrón orbita 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? Por lo general, 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 de átomos ordinarios. Todos estos átomos forman un enlace débil, creando un nuevo estado exótico de la materia a temperaturas frías, conocidos como “polarones de Rydberg”.

Un equipo de investigadores ha presentado este estado de la cuestión en la revista Physical Review Letters. El trabajo teórico se realizó en TU Wien (Viena) y la Universidad de Harvard, y el experimento se realizó en la Universidad de Rice en Houston (Texas).

Dos campos muy especiales de la física atómica, que solo pueden estudiarse en condiciones extremas, se han combinado en este proyecto de investigación: condensados 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 TU Wien, Viena), ha estado estudiando las propiedades de tales átomos de Rydberg durante años. La idea del nuevo proyecto de investigación se desarrolló en su cooperación de larga data con Rice University en Houston.

Primero, se creó 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 que deja perplejo acerca de este átomo: el radio de la órbita, en el cual el electrón se mueve alrededor del núcleo, 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.

Estos átomos apenas tienen influencia en el camino de este electrón de Rydberg. “Los átomos no llevan carga eléctrica, por lo tanto, solo ejercen una fuerza mínima sobre el electrón”, dice Shuhei Yoshida. Pero en un grado muy pequeño, el electrón aún siente la presencia de átomos neutros a lo largo de su camino. Se dispersa en los átomos neutros, pero solo muy ligeramente, sin abandonar su órbita. La física cuántica de los electrones lentos 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 situación muy inusual”, dice en un comunicado Shuhei 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 Joachim Burgdörfer. “De esa forma, uno puede sondear las propiedades de un condensado de Bose-Einstein en escalas muy pequeñas con una precisión muy alta”.

Fuente: europapress.es