El encuentro de los atomos en el frio espacio

El espacio frío está realmente frío. Esto explica muy poco de la increíble complejidad que hay de estrellas, planetas y personas; pero ahora, un experimento de ultra-frío podría ayudar a explicar cómo se iniciaron las reacciones químicas en esa congelación casi vacía del espacio interestelar.

Parece que, lejos de quedarse al margen, algunos átomos en realidad les salió más fácil acogerse entre sí a temperaturas cercanas al cero absoluto, o sea, -273,15°C, ó 0 kelvin. La razón para ello puede provenir de la tan conocida como traviesa física cuántica, que provoca que las partículas que se comportan como ondas y existan en múltiples estados a la vez.

Los libros de texto muestran a los núcleos atómicos rodeados por capas de electrones con diferentes niveles de energía. Los átomos forman enlaces compartiendo o intercambiando electrones, y en general, así continúan hasta que los pares de electrones rellenan la capa más externa. Así que, las capas cerradas de los átomos, cuya capa externa está llena, esperan complacientes y resistentes al cambio. Por el contrario, los llamados radicales compuestos de un simple electrón sin pareja, están ansiosos por entregarse a otro electrón o robar uno que le haga compañía.

No obstante, esta simple imagen nunca había sido probada a una fracción de grado por encima del cero absoluto. Pues, ahora, Wade Rellergert, en la Universidad de California, Los Angeles, y sus colegas, han descubierto que el calcio, que tiene un par de electrones en su capa externa, es más reactivo a bajas temperaturas que el radical de rubidio. “La velocidad de reacción puede volar cuando las cosas están muy frías”, apunta Scott Sullivan, miembro del equipo y también de la UCLA.
El experimento es parte de un campo emergente en el que los físicos tratan de enfriar las partículas hasta que tengan la menor cantidad de energía permitida por la mecánica cuántica. Estas hiperenfriadas partículas pueden ser útiles para una gran cantidad de aplicaciones (ver anexo ‘Ultrafrío y ultra-útil’ al final del artículo).

El equipo optó por calcio porque pensaban que no interactuaría mucho con el verdadero objetivo de su estudio, los iones de iterbio, un elemento blando, plateado y metálico, con un electrón en su capa más externa. A temperatura ambiente, de los dos elementos se espera que cada uno deje al otro a solas, o que el ion de iterbio robe un electrón al átomo de calcio (ver diagrama). Esperaban que los iones de iterbio, simplemente, chocaran con los átomos de calcio circundantes, los cuales se habían enfriado a 0,004 K, perdiendo energía y enfriándose.

Al poner los dos juntos en una cámara de vacío, “vimos como iba desapareciendo el iterbio”, dice Sullivan. Lo que sugiere que el calcio se fue emparejando con los átomos de iterbio, informaba el equipo de este estudio que aparece en la revista Physical Review Letters.
“Fuimos con la idea que no debería reaccionar, y de hecho, su reacción fue monstruosa”, comentó el miembro del equipo Eric Hudson, de UCLA. “Resultó que esta capa cerrada del átomo reaccionó 10.000 veces más rápido que su contraparte, la capa abierta”, refiriéndose a un experimento similar del año pasado, que usaron iones de iterbio y el rubidio, un metal radical con un electrón exterior libre.
Para entender por qué el calcio era tan reactivo, Hudson se dirigió a los físicos teóricos Svetlana Kotochigova y Alexander Petrov, en la Universidad Temple de Philadelphia, Pennsylvania. Este dúo se especializa en la predicción de cómo interactuarán los átomos en la resolución directa de la ecuación de Schrödinger, que describe cómo cambia un sistema cuántico con el tiempo.
Los cálculos revelan una explicación de física cuántica, dado que el calcio puede ser muy reactivo a bajas temperaturas. Los átomos se mueven más rápido a temperaturas más altas. A temperatura ambiente, los átomos de calcio se mueven lo bastante rápido para que un electrón sólo pueda saltar dentro de un ión de iterbio cuando ocasionalmente pase alguno cerca.
Sin embargo, a temperaturas ultra-frías, las partículas son más lentas, lo que permite que al electrón, de hecho, tener un pie en su propio átomo de calcio y otro sobre el ión de iterbio. Igual que los objetos cuánticos, las partículas se comportan como ondas, y se mantienen cerca unas de otras lo suficiente para que sus longitudes de onda que se superpongan. Esto es esencialmente equivalente a ser una sola molécula en un estado excitado, o menos estable, estado de energía. Si estas partículas cuasi-unidas, emiten entonces un fotón, pueden relajarse en un estado de menos energía, convirtiéndose en una molécula de bona fide en un proceso conocido como asociación radiactiva. “Estos procesos radiactivos son mucho más probables a baja temperatura”, señala Hudson. “Y esta la razón por la que vemos este tipo de reacción tan enorme.”
Resulta emocionante para los astroquímicos, como Jean Turner, también de la UCLA. “La asociación radiativa es el punto de partida fundamental de la química interestelar”.
Además de contar con una temperatura promedio de tan sólo 3 grados sobre el cero absoluto, el espacio está también casi vacío, un centímetro cúbico puede contener un total de un millón de partículas, lo cual, aquí en la Tierra, se considera prácticamente vacío. En estas condiciones extremas, los encuentros entre átomos son muy infrecuentes.
Sin embargo, el espacio contiene incontables moléculas complejas, desde los azúcares simples a los anillos vínculados de átomos de carbono, conocidos como hidrocarburos aromáticos policíclicos. “Vemos la química que hay ahí fuera, y así que sabemos lo que ocurre”, dice Turner; pero, ¿cómo sería cuando todo empezó?
El hallazgo de que la capa cerrada de los átomos pueden reaccionar más rápidamente de lo esperado puede darnos una pista. El calcio y el iterbio son raros en el espacio interestelar, pero unos procesos similares pueden ser llevados a cabo por el carbono (la columna vertebral de la vida tal como la conocemos) que tiene dos pares de electrones en su capa externa.
El físico Christoph Zipkes, de la Universidad de Cambridge, dice que es demasiado pronto para hacer inferencias. Pero el astroquímico Marc Morris, de UCLA, señala que el resultado es un paso adelante fundamental. “El medio interestelar está rebosante de interesantes moléculas orgánicas, no sabemos muy bien en detalle cómo se forman. Si su formación puede estar asistida por las reacciones de intercambio de carga, eso sería en extremo interesante”.

Anexo: Ultra-frío y ultra-útil
La práctica de los átomos hiperenfriados ha dado paso a los relojes atómicos, e incluso, a una nueva forma de materia en la que muchos átomos se comportan como uno solo.
Las moléculas pueden girar y oscilar en más direcciones que los átomos, lo que hace más difícil que se enfríen, pero ese trabajo extra vale la pena. “Hay un montón de cosas que puedes hacer con las moléculas que no se pueden hacer con átomos”, indica Brian Odom, de la Universidad Northwestern en Evanston, Illinois.
Las moléculas podrían ayudar a revelar si las constantes físicas fundamentales están realmente cambiando. Por ejemplo, que la relación de masa entre los electrones y protones, llamada mu, haya sido causantes de las variables, es una posibilidad que confunde a los físicos. La vibraciones y rotaciones moleculares dependen inequívocamente de esta relación, haciendo de ellas el laboratorio de pruebas ideal, añade Odom.
Los iones moleculares con las propiedades adecuadas y el apropiado número de estados cuánticos, podrían ser utilizados para ejecutar cálculos en ordenadores cuánticos super-eficientes, que se aprovechan del hecho de que estos “qubits” existen en varios estados a la vez. Los físicos quieren encontrar moléculas con “suficientes estados, para codificar toda la información que les gustaría, pero al no haber tantas hace difícil el control de la molécula”, dice Andrew Grier, del Laboratorio Kastler Brossel de París, Francia.
Un día, las moléculas enfriadas podría incluso permitir que sus reacciones sean controladas hasta el punto de poder formar compuestos que no se encuentran en la naturaleza. “Quiza puedan ser utilizadas estas técnicas para hacer nuevos medicamentos o materiales”, señala Eric Hudson, de la Universidad de California en Los Ángeles.