Producen por primera vez en México el condensado de Bose-Einstein

Por primera vez en México, un grupo de científicos logró producir en un laboratorio de física experimental de la UNAM el condensado de Bose-Einstein, un estado de la materia que se logra a una temperatura ultrafría, apenas por encima del cero absoluto, y permite a los científicos estudiar propiedades cuánticas en el mundo macroscópico o visible.

El hallazgo es de Jorge Amin Seman Harutinian, investigador del Instituto de Física (IF), quien realizó el experimento con sus colaboradores y alumnos del Laboratorio de Materia Ultrafría, que está adscrito al Laboratorio Nacional de Materia Cuántica (Lanmac), con sede en el IF.

“Es un paso importante para incidir en el conocimiento de la materia cuántica a nivel de estudio y de control. Tiene características singulares, pues esa prueba se hace en un laboratorio y no hay un lugar en el universo donde se produzcan temperaturas tan bajas”, dijo en conferencia de medios Manuel Torres Labansat, director del IF.

El estudio de la materia cuántica representa un cambio de paradigma, pues implica entender de una forma nueva cómo funciona la naturaleza, añadió en el Auditorio Alejandra Jaidar del Instituto. “Estamos muy contentos con el resultado, pues nos coloca en un punto privilegiado en que podemos hacer contribuciones científicas muy interesantes”, comentó Jorge Seman.

“Además, analizar el comportamiento de la materia a nivel cuántico, en el futuro, el entendimiento de este estado tendrá entre sus aplicaciones estudios de turbulencia en condiciones muy controladas y nunca antes exploradas. Cabe mencionar que los experimentos de átomos fríos tienen muchas aplicaciones como es el caso del desarrollo de sensores de gravedad y de medición del tiempo, el cual es la base de los relojes atómicos, los más precisos desarrollados hasta ahora y que se usan ampliamente en sistemas de posicionamiento global (GPS), añadió el experto.”

Integrante del LANMAC

Este experimento de vanguardia es uno de los principales logros del Lanmac, que fue inaugurado en junio pasado dentro del IF y está conformado por 11 laboratorios de todo el país (seis de ellos en los institutos de Física y Ciencias Nucleares de la UNAM) en donde se examinan diferentes aspectos de distintos sistemas cuánticos compuestos por luz y materia.

“Tiene apoyo del Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología, de la UNAM y de cada una de las instituciones que aceptan poner un laboratorio. Cuenta con 11 grupos experimentales y una docena de físicos teóricos”, indicó Rocío Jáuregui, responsable técnica del Lanmac.

El estudio de Jorge Amin Seman y su grupo, detalló Jáuregui, es una muestra de lo que se quiere hacer en esta iniciativa nacional. “Estos laboratorios quieren controlar el estado de la materia y de la luz, porque es interacción radiación con materia, a un nivel óptimo. Una vez que controlas quiere decir que entiendes; entonces propones y puedes intentar desarrollar tecnologías cuánticas”.

Bajísimas temperaturas

Tras montar el experimento y aplicar varias técnicas de enfriamiento los físicos lograron reducir la temperatura de un gas diluido, compuesto por unas 40 mil moléculas de litio a la inimaginablemente baja temperatura de 20 nanokelvin, es decir, a 20 mil millonésimas de grado por encima del cero absoluto. A esta temperatura tan baja el comportamiento del gas cambia completamente, dando origen a un fenómeno conocido como condensación de Bose-Einstein.

Durante los años 20 del siglo pasado los físicos Satyendra Bose y Albert Einstein estudiaron de manera teórica el comportamiento de un gas muy diluido conforme su temperatura cambia. A temperatura alta, por ejemplo a temperatura ambiente, los átomos que componen el gas tienen valores de energía muy diferentes entre sí. Algunos átomos pueden moverse muy rápido, otros más lento. De manera que cada átomo se comporta de forma más o menos independiente.

Bose y Einstein descubrieron que al reducir la energía del gas, por debajo de un cierto valor de temperatura, el sistema entraría en un extraño estado en la que todos los átomos tendrían exactamente el mismo valor de energía, por lo que todos se comportarían de manera idéntica y coherente. Esto tiene como consecuencia que las propiedades cuánticas de cada átomo se manifiesten a escala macroscópica. A este nuevo estado de la materia se le conoce como Condensación de BoseEinstein y de acuerdo con la predicción de estos científicos, ésta debería ocurrir con la temperatura increíblemente baja de cien nanokelvin. Un valor que en aquella época era imposible de lograrse en los laboratorios disponibles.

En grados Kelvin

En física, explicó Jorge Amin Seman, además de utilizar la escala en grados Celsius, se usa la escala en grados Kelvin. “Las leyes de la física imponen un límite inferior a la temperatura a la que puede llegarse. Este límite en la escala Celsius es de -273.15 grados centígrados, y debajo de esta temperatura es imposible llegar porque esta temperatura límite corresponde a un estado de cero energía de movimiento, y los átomos no pueden moverse con energía negativa”, detalló. La escala Kelvin pone su cero en ese límite, y por eso se le conoce como cero absoluto.

“La condensación de Bose-Einstein ocurre por debajo de los cien nanokelvin. Si tomamos del cero al uno y lo dividimos en mil millones de pedacitos, nos quedamos con los cien primeros. Es de ese orden”, ejemplificó. El experimento universitario bajó la temperatura hasta a 20 nanokelvin, es decir a una temperatura de 0.00000002 grados por encima del cero absoluto. Por este motivo, producir un condensado de Bose-Einstein es un desafío tecnológico muy grande.

No conocemos ningún proceso natural que alcance temperaturas tan bajas. “Las más bajas en todo el universo, hasta donde la ciencia sabe, ocurren en laboratorios como este, en donde se utiliza tecnología de punta para implementar técnicas de enfriamiento muy refinadas”, señaló.

Superfluidez

Una de las consecuencias más impactantes del comportamiento colectivo de las moléculas en el condensado de Bose-Einstein es el fenómeno conocido como superfluidez, que tiene como consecuencia que el gas pierda su viscosidad, por lo que puede fluir sin ninguna resistencia. Es como si las moléculas se “pusieran de acuerdo” para moverse sin estorbarse entre sí.

Aunque la condensación de Bose Einstein y la superfluidez no son el mismo fenómeno, la segunda ocurre en la primera. “Pero ambos son fenómenos cuánticos macroscópicos y muchas veces se presentan juntos”, finalizó Jorge Amin Seman.