Desarrollado el primer estudio teórico de condensado de Bose-Einstein de un sistema de moléculas polares

El pasado mes de junio de 2024 apareció en Nature la primera observación experimental del condensado de Bose-Einstein de un sistema de moléculas polares de sodio-cesio, obtenida por el equipo del Prof. Sebastian Will, de la Universidad de Columbia en Estados Unidos. A pesar de que la condensación de Bose de átomos a temperaturas ultrafrías se realiza de forma rutinaria en diversos laboratorios de todo el mundo, el equivalente con moléculas ha sido elusivo, ya que éstas tienen una fuerte tendencia a reaccionar químicamente al enfriarlas, destruyendo el sistema antes de llegar a las temperaturas bajas requeridas para llegar. Pese a los intentos realizados durante más de dos décadas, no ha sido hasta ahora que se ha logrado realizar la condensación bosónica de moléculas polares. Esto ha sido posible recientemente utilizando una combinación apropiada de campos de microondas polarizados circular y elípticamente, capaces de apantar los procesos de colisiones en dos cuerpos que provocan dichas reacciones.

Dejando a un lado sus posibles aplicaciones tecnológicas, estos condensados ​​abren nuevas perspectivas en el campo de la física de los condensados ​​de Bose, ya que las condiciones en las que se dan hacen que, en el equilibrio, el sistema presente fuertes correlaciones, contrariamente a lo que ocurre con los condensados ​​de Bose atómicos. Esto hace que no se pueda realizar una descripción teórica utilizando modelos de campo medio basados ​​en la ecuación de Gross-Pitaevskii, que es la herramienta que se utiliza mayoritariamente en este campo.

En este sentido, miembros del grupo Barcelona Quantum Monte Carlo han publicado recientemente en el Journal Physical Review Letters, en colaboración con profesores de otras universidades europeas, el primer estudio teórico de este tipo de condensados. Esto ha sido posible utilizando métodos de simulación tipo Path Integral Monte Carlo, capaces de muestrear de forma precisa la función de onda exacta del estado fundamental del sistema de muchos cuerpos. Partiendo de un potencial que contiene tanto los términos de interacción dipolar como un corazón anisotrópico producido por el potencial de apantallamiento creado
por la interacción con el campo de microondas, se ha podido obtener una descripción esmerada de las propiedades estáticas más relevantes del sistema, mostrando que éste tiene una tendencia natural a formar gotas particularmente densas en comparación con lo que se encuentra en situaciones similares con especies atómicas.

También se caracteriza la forma particularmente anisotrópica de estas gotas, así como su tendencia a formar diversas en función de las condiciones iniciales en las que se crean. El trabajo concluye estableciendo el diagrama de fases, donde se establece el número crítico de moléculas que se deben tener para formar estas gotas, en función del parámetro característico que mide la relación entre la distancia dipolar característica y la longitud de difusión de la interacción 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).