En la búsqueda del cero absoluto

La condensación de átomos ultrafríos

El conocimiento fundamental derivado del estudio de los átomos ultrafríos ha abierto las puertas al desarrollo de la ingeniería cuántica y favorecerá la creación de computadoras cuánticas, en las que el almacenamiento y procesamiento de la información se realice por átomos individuales y no por elementos electrónicos. La capacidad de cálculo y rapidez de estas computadoras sobrepasaría con mucho a las actuales.

El cero absoluto de temperatura es el mínimo que se puede alcanzar en el Universo. Corresponde a -273.15 grados centígrados y a cero grados en la escala de Kelvin (actualmente se denota 0 K). A esta temperatura cesa el movimiento térmico azaroso que sufren los átomos y las moléculas que componen la materia y queda sólo el remanente asociado a los efectos cuánticos, que a bajas temperaturas y altas densidades se manifiestan en su mayor esplendor. Los efectos cuánticos provienen del hecho de que, en ausencia de interacciones con un entorno que perturbe o caliente a un sistema, sus componentes microscópicos dejan de comportarse como entes individuales y desarrollan comportamientos colectivos macroscópicos. Algunos ejemplos son el fenómeno de superconductividad, la superfluidez, la emisión de luz láser y la condensación de átomos ultrafríos. La superconductividad es la conducción de electricidad con resistencia nula, la superfluidez el flujo de líquidos sin disipación de energía, la luz láser es luz monocromática unidireccional emitida coherentemente por los átomos de un material y la condensación de átomos ultrafríos es el tema principal de este artículo.

Paradójicamente, los investigaciones teóricas que permitieron entender el comportamiento de los sistemas ultrafríos surgió de las investigaciones asociadas a sistemas incandescentes extremadamente calientes. En 1894 el físico alemán Max Planck había sido comisionado por compañías eléctricas para crear máxima iluminación en lámpara eléctricas con un mínimo de energía. El problema a resolver era: dado un cuerpo incandescente a cierta temperatura, ¿cómo depende la intensidad de la energía emitida con la frecuencia, es decir, con el color de la luz? Al colocar una pieza de un metal o cerámica sobre un fogón de herrero se observa que, a medida que se calienta, ésta se pone al rojo vivo, para pasar al naranja, al amarillo, y finalmente emitir una luz blanca azulosa. Se concluye que a una temperatura dada hay un pico de la intensidad luminosa a la frecuencia correspondiente al color observado; el pico se desplaza hacia frecuencias más altas conforme aumenta la temperatura. Este comportamiento se describe mediante una curva de distribución luminosa conocida como distribución de Planck y nos permite caracterizar la radiación térmica de hornos de fundición, de la lava ardiente, de la superficie solar y aun de distintas regiones del cuerpo humano (mediante fotografía infrarroja). Otra manifestación es el campo de radiación electromagnética de 3 K que permea a todo el Universo y es un remanente de la gran explosión.

La superconductividad es la conducción de electricidad con resistencia nula, la superfluidez el flujo de líquidos sin disipación de energía, la luz láser es luz monocromática unidireccional emitida coherentemente por los átomos de un material y la condensación de átomos ultrafríos es el tema principal de este artículo.

Planck luchó sin éxito con el problema de la radiación del cuerpo negro aplicando las leyes conocidas de la termodinámica y el electromagnetismo. Sólo fue hasta cerca de la Navidad de 1900 cuando se convirtió en revolucionario sin desearlo, al presentar una solución que permitía derivar esa curva mediante argumentos un tanto ad hoc. La suposición central, que él siempre consideró una hipótesis de trabajo, era que el mecanismo de emisión de la luz era tal que su energía correspondía a múltiplos enteros de una unidad elemental, es decir, la energía consistía de cuantos. Esta idea contrariaba los fundamentos establecidos, ya que se pensaba que las energías podían adquirir cualquier valor en forma continua y no a saltos. Planck era un hombre de espíritu un tanto conservador y nunca aceptó que su hipótesis tuviera una realidad física. Fue Albert Einstein quien propuso que los cuantos constituían entes físicos reales, al proponer que la luz misma debería transportarse en forma de pequeñas partículas que ahora denominamos fotones. Esta hipótesis le permitió explicar un fenómeno independiente, el efecto fotoeléctrico, en el cual los electrones de un metal son expulsados de su superficie al incidir un rayo de luz y que posteriormente le valió para recibir el premio Nobel en 1921 (nunca lo recibió por la Teoría de la Relatividad; también podría haberlo recibido por sus diversas contribuciones a las teorías cuánticas).

En 1924 Einstein recibió un manuscrito de un desconocido investigador hindú, Satyendra Bose, quien trabajaba en Dacca (hoy Bangladesh) y había logrado derivar la distribución de Planck mediante argumentos estadísticos simples, suponiendo que las ondas luminosas podían considerarse un gas de partículas indistinguibles. Impresionado por el manuscrito de Bose, Einstein se ofreció a traducirlo al alemán y remitirlo a la prestigiosa revista Zeitschrift fur Physik, dado que había sido rechazado en varias ocasiones por otras revistas. Posteriormente, Einstein reelaboró las ideas de Bose y mostró que si se aplicaban a conjuntos de átomos a muy bajas temperaturas, menores a millonésimas de grado Kelvin, entonces la materia sufriría una transición de fase, similar a la observada cuando el vapor de agua se condensa en gotitas al bajar la temperatura; en el nuevo estado, los átomos se aglomerarían en un mismo estado energético generando un estado colectivo macroscópico en el que todos ellos se comportan de manera idéntica. A esta estado ahora se le conoce como condensado de Bose-Einstein.

Algunos años después, en 1937, el físico soviético Piotr Kapitsa descubrió que a temperaturas inferiores a una temperatura crítica de 2.17 K, una fracción del helio líquido contenido en un recipiente se convierte en un superfluido, capaz de fluir por un capilar sin resistencia alguna. Conforme desciende la temperatura una fracción mayor pasa al estado superfluido, hasta que a una temperatura de 0 K la totalidad del líquido adquiriría propiedades superfluídicas. Poco tiempo después, otro físico soviético, Lev Landau, propuso que estas propiedades podían entenderse suponiendo que los átomos de helio forman un condensado de Bose-Einstein. Kapitsa recibió el premio Nobel en 1978, casi cuarenta años después de su descubrimiento, y Landau, uno de los físicos de mayor estatura científica del siglo XX, lo recibió en 1962, poco antes de su muerte. Cabe mencionar que ambos tuvieron serias dificultades con la policía secreta soviética y, de hecho, Landau estuvo en prisión durante años, siendo liberado por intercesión directa de Kapitsa ante Stalin.

Aunque las investigaciones sobre la superfluidez hacían ver que el fenómeno de condensación de Bose-Einstein estaba subyacente, el primer condensado atómico propiamente dicho fue creado en 1995 por Eric Cornell y Karl Wieman en los laboratorios NIST-JILA en Boulder, Colorado, y por Wolfgang Ketterle, del Instituto Tecnológico de Massachussets. El método empleado consiste en el uso sucesivo de técnicas de enfriamiento láser y enfriamiento evaporativo para llevar a un gas de átomos confinados mediante trampas magnéticas y rayos láser a temperaturas extremadamente bajas. En la técnica de enfriamiento láser se frena a los átomos mediante la aplicación de pares de rayos láser encontrados. El frenado da lugar a una pérdida de energía cinética, lo que se traduce en un enfriamiento efectivo de los átomos (el calor es simplemente energía cinética desordenada) hasta temperaturas de unos millonésimos de grados Kelvin. Posteriormente se les somete a un proceso de enfriamiento evaporativo muy similar al que usamos para enfriar la sopa caliente: soplamos para desplazar a las moléculas más energéticas que han saltado del caldo, quedando solamente las más frías. En este caso, las colisiones atómicas en una trampa magnética ocasionan que algunos átomos adquieran un exceso de energía cinética y finalmente se escapan del campo magnético que los atrapa. Esta técnica lleva a los átomos a temperaturas del orden de 100 milmillonésimas de grados Kelvin, que son propias para que se produzca el fenómeno de condensación atómica. Es interesante señalar que estas temperaturas son menores a las que tiene cualquier lugar del espacio exterior, salvo que se alcanzan en regiones muy pequeñas.

También se ha sugerido crear computadoras cuánticas, en las que el almacenamiento y procesamiento de la información se realice por átomos individuales y no por elementos electrónicos, como lo hacen las computadoras comunes. La capacidad de cálculo, rapidez, etc., de estas computadoras sobrepasaría con mucho a las actuales; sin embargo, aunque se ha desarrollado una gran cantidad de investigaciones por diversos grupos en el mundo, su implementación aún se ve lejana.

El control preciso de sistemas ultrafríos nos permite entrever el mundo microscópico en una forma que, según se nos enseñaba en cursos de física, no era posible. Se afirmaba que a escalas atómicas la materia podía ser descrita mediante reglas matemáticas consistentes con observaciones experimentales, pero que no era posible visualizar debido a que nuestras impresiones sensoriales provienen de la experiencia macroscópica cotidiana. Actualmente podemos ver imágenes de átomos formados en fila, levitando a consecuencia de campos electromagnéticos aplicados. Al apagar estos campos los átomos fríos simplemente se caen. Mediante la aplicación de láseres encontrados se pueden formar arreglos de luz cuadriculados, como caja de huevos, y hacer transitar a los átomos entre las regiones que corresponderían a las cavidades de la caja. Al formarse un condensado atómico el sistema puede volverse superconductor, formar remolinos, formar patrones observables de interferencia cuántica (similares a los que aparecen cuando miramos luz entre los dedos brevemente separados).

El conocimiento fundamental derivado del estudio de los átomos ultrafríos ha abierto las puertas al desarrollo de la ingeniería cuántica. Poco tiempo después de obtener el condensado atómico, Keterle logró desarrollar un láser de materia, que consiste en la emisión coherente de ondas atómicas en vez de luz. Este sistema permitirá la exploración de propiedades de la materia inaccesibles hasta el momento. También se ha sugerido crear computadoras cuánticas, en las que el almacenamiento y procesamiento de la información se realice por átomos individuales y no por elementos electrónicos, como lo hacen las computadoras comunes. La capacidad de cálculo, rapidez, etc., de estas computadoras sobrepasaría con mucho a las actuales; sin embargo, aunque se ha desarrollado una gran cantidad de investigaciones por diversos grupos en el mundo, su implementación aún se ve lejana. Otras propuestas sugieren emplear experimentos de medición de la caída libre de los átomos para medir cambios infinitesimales sufridos por la constante gravitacional en distintos puntos de la Tierra debidos a la presencia de inhomogeneidades de materia como montañas o yacimientos. Estos experimentos han tenido éxito y sus resultados pueden incidir en la prospección de minerales, petróleo, en la determinación del movimiento del manto subterráneo terrestre, en navegación, posicionamiento satelital GPS. Además, se puede realizar estudios fundamentales de la gravitación y cosmología midiendo, por ejemplo, el frenado del tiempo en presencia de campos gravitaciones. Un resultado indirecto es el desarrollo de técnicas de medición de tiempos ultracortos, del orden de billonésimas de billonésimas de segundo, lo que ha permitido visualizar la función de onda cuántica de átomos individuales, o el estudio detallado de los procesos microscópicos de reacción química.

En México existen diversos grupos de investigación que realizan estudios teóricos y experimentales en materia ultrafría y condensación de Bose-Einstein y se cuenta con trampas atómicas en el Centro Nacional de Metrología en Querétaro, en el Instituto de Física de la Universidad Autónoma de San Luis Potosí y en el Instituto de Ciencias Nucleares de la UNAM. En particular, la trampa desarrollada en Querétaro tendrá funciones de reloj atómico para generar el patrón nacional de tiempo, el cual determinará la duración de un segundo en nuestro país, con una precisión de un segundo en varios millones de años. Esperemos… ®

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Publicado en: Destacados, Enero 2012, La ciencia del futuro

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