Científicos de la UNAM obtienen condensado de Bose-Einstein

En el Laboratorio de Materia Ultrafría del Instituto de Física de la Universidad Nacional Autónoma de México (UNAM), un grupo de científicos logró bajar la temperatura de un gas a tan solo 20 mil millonésimas —0.00000002— por encima del cero absoluto — -273.15 °C —, es decir, produjeron el primer condensado de Bose-Einstein en México.

“No existe ningún lugar en el universo donde se alcancen temperaturas así de bajas a través de un proceso natural. De hecho, podemos afirmar que las temperaturas más bajas del universo están en el planeta Tierra en laboratorios como el nuestro; nosotros somos los primeros en México en aproximarnos tanto al cero absoluto y en nuestro laboratorio se encuentra la materia más fría en nuestro país”, dijo en entrevista el doctor en física Jorge Amin Seman Harutinian, responsable del proyecto.

El investigador, adscrito al Instituto de Física de la UNAM, explicó a la Agencia Informativa Conacyt que el objetivo de reducir hasta ese punto la temperatura de un gas es estudiar qué ocurre en la materia cuando la temperatura es tan baja y, como resultado, alcanza su nivel más bajo de energía posible.

En esta situación, los átomos que componen al gas poseen la mínima energía posible y, en consecuencia, todos comienzan a comportarse de manera idéntica. Esto da origen a fenómenos muy interesantes como es el caso de la superfluidez, en la que la viscosidad del gas desaparece y los átomos pueden fluir sin resistencia.

El camino hacia el cero absoluto

Para producir la materia más fría del universo, durante la noche del pasado 24 de octubre, el equipo de investigación superó una serie de retos tecnológicos y dominó diversas técnicas descritas en la literatura científica. El primer requerimiento fue que el objeto a enfriar no estuviera en contacto físico con ningún otro elemento para evitar la transmisión de energía entre ellos.

“Para satisfacer esa necesidad construimos un sistema de ultra-alto vacío; se trata de una cámara hecha de metal que cuenta con ventanas de vidrio que permiten observar lo que ocurre adentro. Esa cámara está conectada a potentes bombas de vacío que extraen por completo el aire de su interior para generar un ambiente totalmente limpio y aislado del exterior”.

Al interior de la cámara colocaron un segundo recipiente para contener el material a enfriar; en este caso, el experimento fue diseñado exclusivamente para enfriar gas de litio (Li) —metal alcalino y tercer elemento de la tabla periódica.

“Luego de construir la cámara y colocar el litio dentro del contenedor, el primer paso del experimento consistió en calentar ese pequeño recipiente para producir vapor, un vapor muy tenue para que no destruyera la condición de ultra-alto vacío. Una vez que obtuvimos el vapor compuesto por átomos de litio, lo aislamos en una región de la cámara, una fracción alejada de las paredes del contenedor para implementar las técnicas de enfriamiento”.

Aislar una fracción del gas, alejada de las paredes del contenedor, permite aplicar las técnicas de enfriamiento solo en aquellas moléculas que no están en contacto con otro objeto, en este caso con el propio contenedor.

“Para mantener la fracción aislada, implementamos campos magnéticos con electroimanes; creamos una especie de botella con campos magnéticos que nos permite contener millones de esos átomos alejados de las paredes del recipiente”.

La primera etapa de enfriamiento se realizó a través de luz láser, aprovechando la capacidad que existe entre la luz y la materia para intercambiar energía. Normalmente ese intercambio se da de la luz hacia la materia, es decir, la luz calienta la materia; no obstante, controlando las propiedades de la luz —color, polarización y potencia— es posible hacer que la energía fluya en sentido inverso para que la materia transfiera energía a la luz, derivando en un proceso de enfriamiento. Esa combinación de luz láser y campos magnéticos les permitió producir algo que se conoce como “trampa magneto-óptica”.

“A través de esta técnica, disminuimos la temperatura del gas del nivel ambiente a millonésimas arriba del cero absoluto. Pero como la condensación del Bose-Einstein ocurre a temperaturas mil veces más bajas, utilizamos una segunda técnica de enfriamiento que consistió en apagar la luz láser de esta trampa magneto-óptica mientras los átomos permanecen atrapados únicamente en la trampa magnética”.

Al permanecer dentro de la trampa —que asemeja un recipiente—, lo que ocurre es que los átomos con mayor energía —temperatura— escalan a las partes más altas, mientras que los más fríos se mantienen en la parte baja.

“El siguiente paso es reducir las dimensiones de la trampa, hacerla menos confinante para permitir que los átomos con más energía escapen de ella y quedarse gradualmente con los más fríos. Este proceso, reducir cada vez más el poder de confinamiento de la trampa, permite seleccionar a los más fríos en cada repetición hasta reducir la temperatura mil veces”.

Cuando el equipo logró remover la mayor cantidad posible de átomos calientes a través de ese proceso conocido como enfriamiento evaporativo, logró también llegar al condensado de Bose-Einstein. Ahora que cuentan con la tecnología y perfeccionaron la técnica, podrán replicar el experimento constantemente para obtener el condensado —uno nuevo cada 15 segundos— cuantas veces sea necesario y estudiarlo desde diferentes perspectivas.

¿Por qué es importante llevar a esos niveles la temperatura?

Una vez que se logran temperaturas tan bajas, cada átomo que compone el sistema cuenta con la mínima energía posible y gracias a que todos tienen la misma energía, muy cercana al cero absoluto, se comportan de manera idéntica. Esto tiene como consecuencia que las propiedades cuánticas de los átomos se manifiesten a escala macroscópica.

Una de las consecuencias más impactantes de la condensación de Bose-Einstein es el fenómeno de la superfluidez, en donde la viscosidad del gas desaparece y los átomos pueden fluir sin ninguna resistencia. Es como si los átomos se pusieran de acuerdo y se movieran de manera coherente, sin estorbarse.

“Efectivamente, es el entendimiento del fenómeno de la superfluidez uno de los principales objetivos del laboratorio. Específicamente, se buscará producir turbulencia en el superfluido y entender cómo es que la mecánica cuántica restringe y afecta al flujo turbulento. La turbulencia, en general, es un importante problema de la física que se encuentra aún abierto y consideramos que nuestro laboratorio podrá hacer contribuciones fundamentales en el entendimiento de este fenómeno”.

Fuente: CONACYT.