Un quinto estado de la materia: el condensado de Bose-Einstein

Manel Bach Ramírez »

El condensado de Bose-Einstein (BEC) es un estado de la materia en el que una muestra gaseosa se comporta como un gran sistema cuántico en vez de un conjunto de sistemas cuánticos individuales, o una agrupación de átomos. Se produce a temperaturas de prácticamente cero absoluto (millones de veces más bajas que la temperatura del espacio interestelar) en ciertos materiales. Cuales son estos materiales y por qué ocurre este fenómeno?

Para entender este fenómeno tenemos que conocer las propiedades de los distintos tipos de partícula. Sabemos que cada partícula, y también cada conjunto de partículas como serían un átomo y una molécula, se puede clasificar en dos grupos:

• Fermiones: que cumplen el principio de exclusión de Pauli, que dicta que dos partículas idénticas no pueden encontrarse en el mismo estado cuántico al mismo tiempo.
• Bosones: que no cumplen este principio, por lo que dos o más bosones pueden encontrarse en el mismo estado cuántico.

Algunos ejemplos de fermiones son los quarks y los leptones, y de bosones son los fotones y gluones. Además, existe otra regla general: los conjuntos de partículas hechos por un número impar de fermiones son fermiones, y cualquier sistema hecho por un número par de fermiones o cualquier número de bosones son bosones.*

Lo interesante es que gracias a esta propiedad característica de los bosones, si una muestra gaseosa muy diluida** de, por ejemplo, Na-23 o de He-4, se enfría hasta temperaturas muy cercanas al cero absoluto, un número significativo de estas partículas perderá prácticamente la totalidad de su energía cinética.

El volumen de la muestra disminuirá pero aún una cantidad macroscópica de partículas empezará a ocupar el mismo nivel cuántico de energía (el estado fundamental), superponiéndose unas a otras. A partir de este punto, todas las partículas van a conglomerarse como un solo gran sistema cuántico, sumándose como ondas en vez de comportándose como partículas independientes.

Albert Einstein y Satyendra Nath Bose conjuntamente predijeron este fenómeno de compartición del estado cuántico en fotones y más tarde en hipotéticos átomos gaseosos, pero sólo fue hasta hace pocas décadas que llevar una muestra a temperaturas tan bajas fue posible gracias a nuevas técnicas de enfriamiento. De que tratan estas técnicas?

Enfriamiento Doppler y evaporación magnética

La energía térmica de un átomo se manifiesta con energía cinética de este. Mediante una técnica con láseres y una aplicación muy inteligente del efecto Doppler es posible conseguir disminuir la energía térmica de una muestra hasta niveles de unas pocas decenas de nanokelvin por encima del cero absoluto, dependiendo de la sustancia de que se trate.

Los átomos de un elemento solamente pueden absorber fotones de una cierta frecuencia. Si enviamos luz de una frecuencia que nuestro átomo muestra no puede absorber, este no se va a ver afectado. La idea está en enviar luz de una frecuencia ligeramente mayor a la que puede absorber para que, cuando el átomo vibre en la dirección de donde proviene la luz, la frecuencia recibida por el átomo coincida con la que este puede absorber gracias al efecto Doppler.

Entonces el átomo absorberá un fotón y este contrarrestará el momento del átomo en aquella dirección. El fotón tendrá que volver a ser emitido por el átomo posteriormente, pero será emitido en una dirección aleatoria, de manera que el efecto resultante es una disminución de la velocidad en esta dirección. Cuando se envían láseres de todas las direcciones, el momento del átomo en todas las direcciones va a disminuir, resultando en una disminución de la temperatura hasta el llamado límite de Doppler, en el que los fotones reemitidos no permiten reducir más la velocidad del átomo porqué al reemitirse crean cierto momento que ya no puede ser contrarrestado por los láseres, con lo que a partir de este punto, el método de enfriamiento por láser deja de ser efectivo.

Hasta aquí es la parte más importante del procedimiento usado para enfriar la muestra, pero aunque las temperaturas conseguidas mediante el enfriamiento Doppler son increíblemente bajas, no lo son suficiente como para que se de lugar a la condensación de Bose-Einstein.

El siguiente paso consiste en evaporar parte de la muestra para rebajar aún más la temperatura. Esto se consigue usando una trampa magnética como se explica a continuación:

Tal como se muestra en a), los átomos con mayor energía cinética podrán llegar más alto en las paredes magnéticas. En b) se ha eliminado parte de las paredes magnéticas por lo que aquellos átomos de mayor energía se desprenderán, dejando el sistema con menor energía cinética global. Las partículas restantes van a intercambiar su momento y el sistema llegará a un nuevo equilibrio de temperatura, esta vez más bajo. Si se repite el proceso lo suficiente se consigue la temperatura adecuada y tiene lugar la formación del condensado de Bose-Einstein.

¿Qué importancia tiene la observación de este fenómeno?

La observación de este fenómeno confirma la predicción que hicieron Bose y Einstein, pero además abre puertas para la investigación de los fenómenos cuánticos con la manipulación de estos sistemas cuánticos macroscópicos y, en un futuro, hasta el posible desarrollo de ordenadores cuánticos, los cuales realmente revolucionarían el mundo en muchos ámbitos, pero quizás el más interesante a mencionar es la posibilidad de crear simulaciones de sistemas complejos, de números inimaginablemente grandes de partículas con cada una de sus interacciones, que ayudarían al entendimiento de fenómenos hasta ahora demasiado complejos y complicados para nosotros, como pueden ser la mecánica cúantica, el big bang y la evolución del universo o hasta el funcionamiento de la mente humana mediante el estudio de las innumerables interacciones entre neuronas.

NOTAS

* Aplicando esta última regla general podemos fácilmente reconocer que ciertos elementos de la tabla periódica van a comportarse como bosones. Por ejemplo, el Na-23 tiene 11 protones, 12 neutrones y 11 electrones, que suman 34 fermiones. Este es un número par por lo que sabemos que este isótopo de sodio es un bosón.
**Tiene que ser muy diluida para evitar la licuefacción y solidificación del material antes de la condensación de Bose-Einstein.