En junio de 2020 científicos de la Estación Espacial Internacional lograron sintetizar el condensado de Bose-Einstein, llamado quinto estado de agregación de la materia, en condiciones de microgravedad.
Sólido, líquido y gaseoso no son los únicos estados de agregación de la materia. También existe el estado plasmático o de gas ionizado como cuarto estado. E incluso hay otros como el condensado de Bose-Einstein, el condensado de Fermi, el supersólido y el plasma quarks-gluones. Si no los conocemos es porque no se producen de forma natural en nuestro entorno.
¿Qué es el condensado de Bose-Einstein?
El condensado de Bose-Einstein (BEC) es un estado de agregación de la materia formado por bosones superenfriados cercanos al cero absoluto, en el cual buena parte de ellos ocupan el estado cuántico más bajo posible. Por descontado, esto plantea muchas preguntas para los legos que deben resolverse para entender mínimamente el concepto, porque es complejo.
¿Qué es un bosón?
El bosón es uno de los dos tipos básicos de partículas elementales (la otra son los fermiones). Así, un fotón es un tipo de bosón, como también lo es un gluón, lo son los bosones W y Z, lo es el bosón de Higgs y quizá el gravitón (este último es aún hipotético). Podemos pensar en ellos como ‘partículas’ si nos es más fácil.
¿Qué es el cero absoluto?
Es la temperatura mínima que puede tomar un objeto en nuestro universo, siendo inalcanzable en la práctica. Se encuentra en ?273,15°C (grados centígrados) o 0 K (grados Kelvin). Por debajo de esa energía no hay nada porque la temperatura es una simplificación de la velocidad de una partícula y no existen velocidades negativas. No se puede estar más quieto que cero.
En mecánica cuántica se le llama también energía residual o energía de punto cero. La palabra ‘condensado’ hace referencia al enfriamiento de la materia necesario para lograr estas temperaturas cercanas al cero, como cuando la usamos en la condensación de gases en líquidos o la condensación de gases en sólidos.
¿Qué es un estado cuántico?
Se trata de una entidad puramente matemática que proporciona una distribución de probabilidad para los resultados de cada posible medición en un sistema. Sí, se trata de un concepto muy complejo que precisa de herramientas matemáticas. Si al lector le resulta más fácil, puede pensar en ello como la probabilidad de que un conjunto de partículas presente ciertos valores en los factores que lo definen. La velocidad es uno de estos factores.
¿Por qué es importante el condensado de Bose-Einstein?
Todas las partículas son también ondas o, dicho de otra forma, todas las partículas tienen una onda asociada. Esto lo sabemos ahora, aunque las primeras observaciones las hizo Louis-Victor de Broglie en 1924 (veremos que fue un año importante para la ciencia). Pero, ¿qué implica esta dualidad onda-partícula? Y más importante, ¿qué significa este gráfico que está en todas partes?
A temperaturas ‘normales’, como 0ºC o 25ºC, la onda asociada a las partículas es muy pequeña, y si tenemos un gas de bosones el tamaño de las ondas de cada una de estas partículas será menor que la distancia entre ellas. Es decir, las ondas no se solapan. Cada partícula, con su onda, ocupa una región del espacio, están separadas y las partículas no interactúan entre sí.
Además, cada partícula tiene un comportamiento individual. Eso es precisamente lo que visualizamos a la derecha del gráfico de arriba: partículas separadas. Pero a medida que reducimos la temperatura del sistema ocurre que la longitud de onda asociado a cada partícula aumenta.
En las proximidades del cero absoluto llegan a solaparse, y aquí llega lo interesante: empiezan a interaccionar entre sí, interfiriéndose y formando una onda conjunta. Esto lo vemos en el centro y especialmente a la derecha en la gráfica de arriba.
Recapitulando, por si nos hemos perdido: a medida que baja la temperatura y los bosones en gas pasan a formar un condensado de Bose-Einstein, los bosones empiezan a comportarse como una partícula con una única función de onda compartida. Las partículas dejan de ser elementos separados y trabajan como un único átomo o ‘superátomo’. Es, simplemente, desconcertante.
Esto da lugar a un comportamiento de la materia en el que este ‘superátomo’ presenta propiedades cuánticas que son visibles a gran escala, lo cual es completamente revolucionario. Para entender el alcance del descubrimiento, imaginemos que los seres humanos no supiesen lo que es el estado gaseoso. Al descubrirlo, las aplicaciones tecnológicas abrirían un nuevo universo de posibilidades.
NO PODEMOS LLEGAR AL CERO ABSOLUTO
Al igual que ocurre con la velocidad de la luz, velocidad que solo podríamos alcanzar usando infinita energía (que evidentemente no tenemos), el cero absoluto es una temperatura a la que solo podríamos llegar usando una cantidad infinita de energía. Sabemos que no podemos llegar a los ?273,15ºC, pero lo que sí podemos hacer es quedarnos cerca.
Uno de los mayores hitos ocurrió en 2014, cuando científicos del CUORE (Cryogenic Underground Observatory for Rare Events) lograron enfriar un metro cúbico a 0,006 K durante 15 días seguidos en el Laboratori Nazionali del Gran Sasso (Italia). Varios años después, en 2017, se fabricó el Cold Atom Laboratory (CAL), y en 2018 fue lanzado a la Estación Espacial Internacional.
En junio de 2020 se publicaba en la revista Nature el artículo ‘Observación de condensados de Bose-Einstein en un laboratorio de investigación en órbita terrestre’. En la Estación Espacial Internacional, gracias a la baja gravedad, es más fácil no solo sintetizar este estado de la materia, sino conservarlo durante más tiempo. El condensado es más estable. Hemos hecho historia.
¿por qué se le llama ‘de Bose-Einstein’?
Todo empezó cuando en 1924 el físico hindú Satyendra Nath Bose publicó el artículo ‘Planck’s Law and Hypothesis of Light Quanta’ (‘La ley de Planck y la hipótesis la hipótesis cuántica de la luz’). Bose llevaba desde 1921 siendo profesor en la entonces nueva Universidad de Dacca (Bangladés) tras haber pasado cinco años en el departamento de física de la Universidad de Calcuta (India), y tenía ideas completamente innovadoras sobre el comportamiento del universo.
Ideas que, por descontado, fueron ignoradas e incluso discutidas en tono poco conciliador por sus colegas. Pero recordemos que aquellos años se vivió un auténtico auge de la física teórica. Albert Einstein había publicado en 1915 la teoría de la Relatividad General, y fue precisamente a Einstein a quien Bose pidió ayuda en una carta. Primero, para saber su opinión, y segundo, para traducirla al alemán (el idioma de la ciencia de aquel entonces).
Einstein no solo encontró el artículo acertado, sino que se dio cuenta enseguida de que Bose había dado con algo que aportaba mucha información sobre el universo. Tradujo el paper al alemán, atribuyendo toda la autoría a su colega indio, pero siguieron trabajando juntos en lo que hoy se conoce como estadística de Bose-Einstein.
Este campo abría las puertas, no solo a una nueva rama de la ciencia, sino a futuribles aplicaciones prácticas al entender el comportamiento del estado de la materia a temperaturas cercanas al cero absoluto. A este nivel, los bosones (llamados así por Paul Dirac en honor a Bose) confirman el estado de la materia conocido como condensado de Bose-Einstein.
Así fue como se consiguió el primer condensado
Pero aún habrían de pasar muchas décadas para que la tecnología nos permitiese generar este condensado. Fue en 1995 cuando los ahora nobeles Eric Cornell y Carl Wieman usaron un método de enfriamiento por láser (hasta 1960 el láser no existía), logrando alcanzar una temperatura de una millonésima de Kelvin por encima del cero absoluto.
Esto fue un hito científico inmenso. También algo bastante confuso. ¿Enfriar usando un láser? Sí, si se hace bien, gracias a un proceso cuántico llamado ‘resonancia’ y a otro llamado ‘evaporación magnética’.
Así se enfría un gas usando un láser
Lo que Cornell y Wieman hicieron fue partir de un gas de baja densidad formado únicamente por átomos de rubidio. Luego bombardearon estos átomos con un láser cuya energía estaba perfectamente sintonizada con el gas. Cuando uno de estos átomos de rubidio era alcanzado por el láser, se excitaba al recibir un fotón (ganaba energía).
Pero aquí está el ingenioso truco: al poco tiempo, el átomo excitado de rubidio bajaba ligeramente su energía devolviendo un fotón, y este era ligeramente más energético que el que había recibido del láser. A nivel macroscópico sería como lanzar una pelota contra una pared y que, al rebotar, lo hiciese ganando masa y ‘descargando’ la pared. Es a esto a lo que llamamos ‘resonancia’. Al repetir la operación, la nube de átomos iban perdiendo energía.
Enfriar un gas restando átomos energéticos
Una vez reducida la temperatura del gas a 0,001 K, lo que se hace es extraer aquellos átomos que tienen más energía. Esto se hace trabajando con la jaula magnética donde se tiene atrapado el gas, y poco a poco los átomos más energéticos acaban por evaporarse.
Dado que la temperatura del gas es en realidad la media de la energía del mismo, al escapar los átomos más energéticos vamos reduciendo la temperatura del total. Ya hemos alcanzado los nanoKelvin.
¿Qué han logrado en la ISS en materia de condensado?
Utilizando estas técnicas en microgravedad y el Cold Atom Laboratory ha sido posible condensar bosones en varias ocasiones. En el estudio publicado por David C. Aveline et al. se puede observar gráficamente qué es lo que se ha logrado. Nada menos que alcanzar los 130 nK de temperatura media o, lo que es lo mismo 0,00000013 K, durante 22 milisegundos antes de que fallase el encerramiento magnético. En la Tierra este falla incluso antes.
Puede parecer poco tiempo, pero es el suficiente como para observar cómo la agrupación de bosones del experimento iba formando una única entidad macro a nivel cuántico. De los 49.000 átomos de rubidio, cerca del 26% lograron condensar y alcanzar una temperatura de 17 nK. Se ha batido un récord.
Y he aquí una de las respuestas más bonitas de la naturaleza: el ancho del pico observado es una representación gráfica del Principio de Indeterminación de Heisenberg. Dado que magnitudes físicas como posición y velocidad solo pueden conocerse con precisión arbitraria, el pico tiene un grosor. De no existir este principio, veríamos una punta mucho más esbelta.
¿Sirve de algo investigar todo esto?
Experimentos centenarios, el uso de la Estación Espacial Internacional, la fabricación del Cold Atom Laboratory, decenas de científicos leyendo observaciones. Resulta evidente que el coste de realizar estos experimentos es muy elevado. De ahí que podamos pensar si sirve de algo o qué utilidad tiene.
Como ya adelantábamos antes al comparar el condensado de Bose-Einstein con redescubrir el estado gaseoso (y todas sus aplicaciones), las aplicaciones de este condensado son simplemente inabarcables para nuestro estado del arte. No las podemos imaginar todas. Pero una de ellas podría ser la detección de ondas gravitacionales mediante otra forma que no sean los detectores LIGO.
También podría servir como método para fabricar nanoestructuras al contar con un gas coherente (mismo estado cuántico o idéntico nivel de excitación). Otra aplicación sería la creación de relojes atómicos muchísimo más precisos, así como la apertura a técnicas como la superfluidez o superconductividad.
Este experimento es tan relevante como haber descubierto las propiedades electrónicas de los metales que dieron lugar a la informática o la radiación de fondo de microondas, esa radiación del universo que deja al vacío a 2,725 K por encima del cero absoluto. Algo así se estudiará en las escuelas.
En Nobbot | La fusión nuclear de ITER, uno de los proyectos más bonitos de la humanidad
Imágenes | Norbert Kowalczyk, MissMJ, NIST/JILA/CU-Boulder, NASA, Satyendra Nath Bose, Albert Einstein, iStock/?????? ???????, Aveline et al
Gracias por la información.
Excelente explicación del estado agregado de la materia!!
Congratulaciones!!
Felicitaciones al escritor del artículo. Nos permite a los legos en la materia comprender al menos un poco por dónde va éste quinto estado. También me gustó la historizacion que realizó. Un saludo!!!
Pd: recomiendo un canal de Youtube date un blog de un científico en español Santaolalla
Excelente artículo, hace comprender la relevancia del estudio de este quinto estado de la materia.
Gracias por el esfuerzo de informarnos a los legos, pero que amamos la ciencia.
Me fascinó tanto entender este artículo que me dieron ganas de estudiar física.
De verdad Dios viene, porque la ciencia ha aumentado. Escrito está.
Excelente artículo!! Muy bien escrito y muy enriquecedor. Muchísimas gracias!!
Extraordinario trabajo, permite pensar y llegar a realidades filosóficas que intuimos más no podemos percibirlas, como son la posibilidad que la energía, en si misma, tiene conciencia plena, evidentemente al igual que la materia en todas sus formas y las ondas en todas sus frecuencias, la conciencia de existencia y de ser de las pariculas se abre como una de las realidades más extraordinarias, el concepto de tiempo se amplía y se transforma en un espacio infinitamente abierto donde la eternidad puede estar presente, en su propio espacio-tiempo, en el brevísimo instante entre 2 crestas de una longitud de onda de alta frecuencia de una partícula bajo el principio de incertidumbre de Heisenberg
Interesante su articulo, nos abre una nueva perspectiva sobre el estado de la materia y sus usos. Cómo se calcula la masa, la carga y se llega a la calibración de bozon.
La aplicación técnica del láser para lograr el enfriamiento denota una rotura en las leyes clásicas de la termodinámica, en especial de la conservación de la energía, lo cual permite vislumbrar una aplicación práctica en obtención de energía libre usando este tipo de tecnología
Estimado Oswaldo, no hay rotura de ninguna ley de la termodinámica puesto que la energía perdida por los átomos se la llevado el fotón emitido.
Es un artículo muy interesante. Se habla poco de la resonancia y me parece un concepto muy importante. Dejaré aquí un pensamiento. Relacionar resonancia-absorcion/producción de energía-eco del Big Bang
Extraordinario articulo que pone en evidencia llegar casi a las propiedades inmateriales se la materia. Pensar solo en uno de estos estados nos hace reflexionar sobre la complejidad que tenemos y en el confinamiento propio del universo. identidades y revelaciones aún por descubrir. Felicitaciones de nuevo.
«Este experimento es tan relevante como haber descubierto las propiedades electrónicas de los metales que dieron lugar a la informática o la radiación de fondo de microondas, esa radiación del universo que deja al vacío a 2,725 K por encima del cero absoluto. Algo así se estudiará en las escuelas.»
No nos fliplemos xD. Es decir conozco mucho ingeniero que no tiene claro aún muchos conceptos básicos de electricidad y magnetismo.
No hay que justificar nada en búsqueda de la verdad y el conocimiento, pero justificar el gasto con futuros posibles yo no le veo sentido. Y más cuando hay determinadas disciplinas mas terrenales con un poquito de gasto han demostrado resultados increíbles.
No me quedo claro como es la onda asociada al átomo, lo digo si en el futuro lo podíamos matizar. Y la gráfica que significa OD y PSD?
Pero aunque parezca duro mi comentario, agradezco mucho hacerlo y el esfuerzo en hacer la noticia xD.
Ahora es imposible alcanzar los 0K, pero en un futuro muy lejano, cuando el universo en expansión aleje todo de todo, y la radiación de fondo también se diluya, es posible que el cero absoluto sea muy común en el universo. Puede que entonces empiece una nueva etapa. Esas propiedades especiales no son casualidad. Nada lo es en el universo… Ocurre por algo, y tiene o tuvo una utilidad.