Desenvolupat el primer estudi teòric de condensat de Bose-Einstein d'un sistema de molècules polars

El passat mes de juny del 2024 va aparèixer a Nature la primera observació experimental del condensat de Bose-Einstein d'un sistema de molècules polars de sodi-cesi, obtinguda per l'equip del Prof. Sebastian Will, de la Universitat de Columbia als Estats Units. Malgrat que la condensació de Bose d'àtoms a temperatures ultrafredes es fa de forma rutinària a diversos laboratoris d'arreu del món, l'equivalent amb molècules ha estat elusiu, ja que aquestes tenen una forta tendència a reaccionar químicament en refredar-les, destruint el sistema abans d'arribar a les temperatures baixes requerides per arribar al règim quàntic d'interès. Malgrat els intents duts a terme durant més de dues dècades, no ha estat fins ara que s'ha aconseguit realitzar la condensació bosònica de molècules polars. Això ha estat possible recentment fent servir una combinació apropiada de camps de microones polaritzats circular i el·lípticament, capaços d'apantallar els processos de col·lisions a dos cossos que provoquen les esmentades reaccions. 

Deixant de banda les seves possibles aplicacions tecnològiques, aquests condensats obren noves perspectives en el camp de la física dels condensats de Bose, ja que les condicions en què es donen fan que, a l'equilibri, el sistema presenti fortes correlacions, contràriament al que passa amb els condensats de Bose atòmics. Això fa que no es pugui fer una descripció teòrica fent servir models de camp mig basats en l'equació de Gross-Pitaevskii, que és l'eina que es fa servir majoritàriament en aquest camp.

En aquest sentit, membres del grup Barcelona Quantum Monte Carlo han publicat recentment al Journal Physical Review Letters, en col·laboració amb professors d'altres universitats europees, el primer estudi teòric d'aquests tipus de condensats. Això ha estat possible fent servir mètodes de simulació tipus Path Integral Monte Carlo, capaços de mostrejar de forma precisa la funció d'ona exacta de l'estat fonamental del sistema de molts cossos. Partint d’un potencial que conté tant els termes d'interacció dipolar com un cor anisotròpic produït pel potencial d'apantallament creat
per la interacció amb el camp de microones, s'ha pogut obtenir una descripció acurada de les propietats estàtiques més rellevants del sistema, mostrant que aquest té una tendència natural a formar gotes particularment denses en comparació amb el que es troba en situacions similars amb espècies atòmiques. 

També es caracteritza la forma particularment anisotròpica d'aquestes gotes, així com la seva tendència a formar-ne diverses en funció de les condicions inicials en què es creen. El treball conclou establint el diagrama de fases, on s'estableix el nombre crític de molècules que cal tenir per tal de formar aquestes gotes, en funció del paràmetre característic que mesura la relació entre la distància dipolar característica i la longitud de difusió de la interacció total.

Referencia:

Langen, T., Boronat, J., Sánchez-Baena, J., Bombín, R., Karman, T., and Mazzanti, F.,
"Dipolar Droplets of Strongly Interacting Molecules", 
Phys. Rev. Lett. 134, 053001 (2025).