La nanotecnología lleva ese prefijo, nano, porque trata de cosas cuyo tamaño es del orden del nanómetro o, lo que es lo mismo, la milmillonésima parte de un metro. Este tamaño se corresponde con el de las moléculas más sencillas. Así, por ejemplo, una molécula de oxígeno, O₂, mide mucho menos de un nanómetro de extremo a extremo, su radio de van der Waals es del orden de 0,152 nanómetros. Las moléculas más grandes pueden llegar a los cientos, si no decenas de miles de nanómetros. El ADN humano del cromosoma 1 (el más largo) si se desmadejase mediría 85 milímetros, pero el ancho de la cadena sería tan solo de 2,6 nanómetros.

Con estos números en mente comprenderemos lo chocante que es el logro de Heiner Saßmannshausen y Johannes Deiglmayr del Instituto Politécnico Federal de Zúrich (Suiza) y que publican en Physical Review Letters. Estos investigadores han conseguido crear una molécula de solo 2 átomos de cesio que tiene un tamaño del orden de la micra, esto es, casi como una bacteria de grande. Estos macrodímeros (macro, por grandes, y dímeros por son una agrupación de 2 cosas iguales) podrían resultar muy útiles en computación cuántica.

El interés en estas macromoléculas surge porque desafían los planteamientos convencionales de como se forman moléculas y enlaces químicos. A principios de siglo varios físicos predijeron que era teóricamente posible crear moléculas con distancias interatómicas del orden de la micra usando un par de átomos que estuviesen en estados de Rydberg. Los átomos (en estado) de Rydberg son átomos normales en los que un solo electrón de su capa externa ha sido excitado hasta un estado cuántico tan alto que está muy lejos del núcleo. Para visualizarlo podemos imaginar dos rascacielos iguales en el que el mismo número de vecinos tiende a ocupar los pisos más bajos; un rascacielos (en estado) Rydberg sería aquel en el que el vecino del tercero, si este es el piso más alto ocupado en el otro rascacielos, se fuese a vivir al piso 44.

Si bien los átomos de Rydberg son inestables, pueden vivir decenas de microsegundos, lo que es mucho en términos prácticos. Los investigadores han tenido éxito creando el macrodímero, confirmando su existencia indirectamente porque al destruirse deja firmas espectroscópicas características. El procedimiento ha permitido confirmar que la vida de los macrodímeros de cesio también es del orden de las decenas de microsegundos. Los cálculos teóricos previos han llevado además a descartar otros macrodímeros como imposibles, que cálculos previos sugerían que podían existir, y a predecir la existencia de otros nuevos.

Ya existían propuestas para emplear los macrodímeros de Rydberg como la base de puertas lógicas de ordenadores cuánticos. Si dos bits cuánticos se almacenasen en los estados de un par de átomos de Rydberg que formen parte de un macrodímero, la ausencia de cualquier fuerza neta entre los átomos, como ocurre en los macrodímeros, podría aumentar la precisión de las operaciones que se llevasen a cabo conjuntamente en esos qubits.

Es cuestión de tiempo que veamos el uso de los macrodímeros de Rydberg en óptica cuántica y en otras aplicaciones de la información cuántica.

Referencia:

Heiner Saßmannshausen and Johannes Deiglmayr (2016) Observation of Rydberg-Atom Macrodimers: Micrometer-Sized Diatomic Molecules. Phys. Rev. Lett. doi: 10.1103/PhysRevLett.117.083401

Sobre el autor: César Tomé López es divulgador científico y editor de Mapping Ignorance

Este texto es una colaboración del Cuaderno de Cultura Científica con Next