Para la comunidad científica interesada en física, los inicios de este siglo se han visto envueltos por tres tendencias bastante evidentes: el énfasis en la interdisciplina, la búsqueda del entendimiento de las propiedades de sistemas mesoscópicos (por ejemplo estructuras que involucran miles de átomos) y el control cuántico. Este último suele involucrar la interacción entre átomos sencillos tipo alcalino y campos electromagnéticos. En este contexto es llamativo el papel que juega el iterbio, un elemento químico de estructura no alcalina, con el cual se han generado gases ultrafríos (temperaturas del orden de 10⁻⁹K) y se han desarrollado dispositivos para su manipulación átomo por átomo. ¿Por qué el iterbio resulta ser especialmente útil para el control cuántico? Con esta pregunta en mente nos adentramos un poco en la historia de su descubrimiento y enunciamos algunas propiedades de este elemento.

El símbolo del iterbio es Yb. Se conocen siete isótopos naturales y por lo menos 27 isótopos radiactivos de  él. Forma parte de los elementos conocidos como tierras raras y toma su nombre de Ytterby, un pueblo minero en la isla de Resarö, en el archipiélago de Estocolmo, Suecia, donde se descubrieron diferentes tierras raras que, en un principio, fueron difíciles de distinguir. El iterbio, por ejemplo, pasó por al menos cuatro nombres, incluyendo iterbio, iterbia, erbia y neoiterbia —en los casos que no se confundió por completo con otro elemento—. Jean-Charles Gallisard de Marignac, Lars Fredrik Nilson y Georges Urbain, fueron quienes identificaron al iterbio a finales del siglo XIX y principios del XX. Mientras que Marignac creyó extraer iterbio puro en 1878, un año después Nilson anunció que el iterbio de Marignac no era un solo elemento, sino una mezcla de dos que él llamaba escandio e iterbio. En 1907, Urbain anunció que el iterbio de Nilson era, a su vez, una mezcla de dos elementos, a los que llamó iterbio y lutecio. Estas diferencias, aunque sutiles, apuntaban hacia un mejor entendimiento del elemento y fue hasta 1937 en que se aisló iterbio relativamente puro, y hasta 1953 que se fabricó un espécimen de alta pureza. El iterbio se extrae usualmente de un mineral llamado monazita. Pese a pertenecer a los elementos de tierras raras, el iterbio no lo es tanto puesto que corresponde al 44-avo elemento más abundante en nuestro entorno: está presente en alrededor de 2.7 a 8 partes por millón en la corteza terrestre.

El iterbio es un elemento suave, maleable y bastante dúctil que exhibe un brillo plateado brillante. Es fácilmente atacado y disuelto por los ácidos minerales, reacciona lentamente con el agua y se oxida en el aire. El óxido forma una capa protectora en la superficie. Los compuestos de iterbio son escasos y se estima que son, en general, de baja a moderada toxicidad. Sin embargo, el iterbio se almacena y trata como si fuera un químico altamente tóxico. Parte de la razón es que el polvo metálico de iterbio puede producir incendios, generando humos tóxicos a medida que se quema. Un incendio de iterbio solo puede extinguirse usando un extintor químico de clase D seco. Otro riesgo del iterbio es que causa irritación de la piel y los ojos. Los científicos creen que algunos compuestos de iterbio son teratogénicos, es decir, capaces de provocar defectos congénitos.

Aún con sus riesgos inherentes, el iterbio es un elemento científica y tecnológicamente útil con muchas promesas para futuros desarrollos de vanguardia. Aplicaciones actuales incluyen su uso como fuente de radiación para las máquinas de rayos X, es agente dopante de fibra óptica y suele añadirse al acero inoxidable para mejorar sus propiedades mecánicas.

Aún con sus riesgos inherentes, el iterbio es un elemento científica y tecnológicamente útil con muchas promesas para futuros desarrollos de vanguardia.

Su uso científico aprovecha en ocasiones su estructura electrónica que involucra a dos electrones en su capa más externa al núcleo. En grandes rasgos, esto lo asemeja a los átomos alcalinos: las excitaciones mediante la interacción con luz de estos electrones dan dos opciones que prácticamente no se mezclan: los estados triplete (espines paralelos) y singlete (espines antiparalelos). Al igual que en en helio, el estado fundamental tiene la configuración de singlete. Esto significa que el estado de menor energía con una configuración de triplete decae espontáneamente con muy poca probabilidad. Este estado para el Yb tiene una energía mucho más alta que el estado fundamental, con una longitud de onda de transición óptica de 579 nm, es decir, luz amarilla. Debido al acoplamiento muy débil en la transición, esta longitud de onda se utiliza, por ejemplo, para estándares de frecuencia óptica en los relojes más precisos.

El isótopo más común es el iterbio-174, que representa aproximadamente el 31.8 por ciento de la abundancia natural del elemento. Este isótopo no tiene momento angular nuclear, por lo que el estado fundamental es un estado completamente sin espines y, por lo tanto, insensible a los campos magnéticos. El radioisótopo más estable es el iterbio-169, que tiene una vida media de 32.0 días. El iterbio también muestra 12 estados metaestables, siendo el iterbio-169m el más estable, con una vida media de 46 segundos. El estudio en serie del comportamiento de cuatro de los isótopos de Yb se ha utilizado recientemente para demostrar una predicción del modelo estandard de las partículas elementales: mientras más neutrones hay en el núcleo es más probable detectar transiciones que violen la conservación de paridad. El no cumplimiento de esta conservación se refiere a la factibilidad de que se lleven a cabo fenómenos que no se comporten de la manera esperada cuando se ven en un espejo.

El papel del iterbio en el área de control cuántico es llamativo. Usualmente, para manipular el estado interno y de centro de masa de un sistema atómico, se utilizan átomos sencillos tipo alcalino con un solo electrón en la capa de valencia. Del iterbio, que tiene una estructura no alcalina, se han producido muestras ultrafrías donde el movimiento colectivo de los átomos requiere para su descripción de la mecánica cuántica. Los primeros condensados de Bose-Einstein no alcalinos se produjeron con el iterbio hace más de diez años. La riqueza isotópica del Yb ha permitido, además, crear mezclas ultrafrías bosón-bosón, fermión-fermión y bosón-fermión. Los sistemas fermionicos (bosónicos) cumplen (no cumplen) el principio de exclusión de Pauli, es decir, dos sistemas fermionicos (bosónicos) no (sí) pueden tener el mismo estado cuántico, y su momento angular es un número semientero (entero) que multiplica a la constante de Planck. Además, se han podido caracterizar –y controlar por medio de resonancias de Feschbach –los parámetros de las colisiones interatómicas de estos átomos a un grado exquisito. Al introducir los átomos en potenciales generados por luz se han construido sistemas análogos a materia condensada que juegan el papel de simuladores cuánticos. Por otra parte, la mezcla con otros elementos químicos ha permitido formar moléculas ultrafrías de, por ejemplo, iterbio con cesio. Esto es una muestra de un área nueva de la química en las que las reacciones se llevan a cabo en un entorno artificial de gran control. Los gases de iterbio también han sido propuestos para construir memorias cuánticas donde la información queda almacenada en sus estados internos.

Por otra parte, los iones de iterbio se han aislado y confinado en trampas electromagnéticas para estudiar en gran detalle sus propiedades y aprovecharlas al máximo posible. Así, por ejemplo, el isótopo tres veces ionizado ¹⁷¹Yb³⁺ es único en el sentido de tener una variedad de estados excitados y ser un átomo paramgnético con espín nuclear 1/2.  Estas propiedades lo hacen potencialmente útil para construir interfases cuánticas tales como transductores de la región de microondas al óptico y la construcción de q-bits de espín.

Sin duda alguna esta tierra rara lo será menos para el público general cuando las tecnologías cuánticas basadas en él tengan una incidencia en su vida cotidiana. C²

Sobre el autor

Rocío Jáuregui

Instituto de Física, UNAM

Es investigadora titular C en el Instituto de Física de la UNAM y miembro del SIN, nivel III. Se ha dedicado al estudio de la física atómica, mecánica cuántica, óptica clásica. Ha sido reconocida por su trayectoria con varios premios, entre ellos el Premio de Investigación de la Sociedad Mexicana de Física 2016. En febrero de 2019 rindió protesta como consejera en la Junta de Gobierno de la UNAM.

• Rocío Jáuregui

  https://www.revistac2.com/autor/rocio-jauregui/

  

  1 junio, 2015

  Una mirada más allá

• 1 COMENTARIOS
• |
• VER COMENTARIO