El pasado 26 de septiembre, el Laboratorio de Propulsión a Chorro (JPL) de la NASA anunció que su equipo del Cold Atom Laboratory (CAL) había conseguido producir un condensado de Bose-Einstein. Este es un paso de gran importancia de cara al lanzamiento del CAL a la Estación Espacial Internacional (ISS), planeado para finales del 2016. En este laboratorio se llevarán a cabo experimentos en la ISS con gases cuánticos ultrafríos a temperaturas de entre 1 y 100 billonésimas de grado por encima del cero absoluto. En esta entrada hablaré acerca de estas investigaciones y de por qué es importante llevarlas a cabo en el espacio.
A principios de año, el Programa de Investigación en Ciencias Físicas de la NASA aprobó fondos para la realización de cinco investigaciones a bordo del Cold Atom Laboratory (CAL), que está siendo desarrollado por el Laboratorio de Propulsión a Chorro (JPL) de la NASA, y que será lanzado a la Estación Espacial Internacional (ISS) a finales de 2016. El CAL será un laboratorio para el estudio de gases cuánticos ultrafríos en un ambiente de microgravedad, como el que proporciona la ISS; está diseñado para satisfacer distintos tipos de experimentos y para que en el futuro pueda ser actualizado y renovado a bordo de la estación. Será instalado por los astronautas en un contenedor tipo EXPRESS, el cual provee un interfaz estándar para las cargas de pago científicas que viajan a la estación y, una vez instalado, el CAL será operado de forma remota desde el JPL.
Contenedor EXPRESS (Expedite the PRocessing of Experiments to Space Station). Crédito: NASA.
Para la realización de los experimentos aprobados para el CAL, las distintas especies de átomos que serán utilizados –principalmente los isótopos rubidio-87 y potasio-41 y 40–, serán sometidos a temperaturas extremadamente bajas: de menos de 100 billonésimas de grado por encima del cero absoluto, lo que supone un desafío tecnológico de primer orden. A pesar de estar a temperaturas extremadamente bajas, los grupos de átomos en estos experimentos se encuentran en una fase gaseosa por ser su densidad también extremadamente baja, con una densidad cientos de miles o millones de veces menor que el aire que respiramos. A estas temperaturas y densidades, los gases atómicos revelan efectos cuánticos cuyo estudio puede abrir las puertas hacia el desarrollo de nuevos dispositivos tecnológicos de gran interés.
Dado que en esta entrada voy a hablar constantemente acerca de temperaturas por encima del ‘cero absoluto’, creo que es importante hacer una pequeña parada para explicar brevemente este concepto. Como todos sabemos, la temperatura es una cantidad física que da una idea de lo caliente o fría que está una sustancia, pero esto es realmente un reflejo de la cantidad de energía interna que ésta posee. De forma simplificada, se puede pensar en esto en términos de la velocidad con la que se mueven u oscilan aleatoriamente los átomos y las moléculas (o las partículas) que forman una sustancia. A medida que ésta se calienta, la velocidad de las oscilaciones de las partículas que la componen aumenta (de ahí que un gas, por ejemplo, tienda a expandirse cuando se calienta), y a medida que se enfría, la velocidad disminuye. Sin embargo, el proceso de enfriamiento no puede darse sin límite ya que se puede pensar, de nuevo de forma simplificada, en la existencia de un punto en el que las partículas que componen esa sustancia dejarían de moverse. Por debajo de ese punto no se podría extraer más energía térmica del sistema; esto es, su temperatura no se podría reducir más. Así pues, existe una temperatura mínima porque existe un mínimo en el nivel de energía interna de una sustancia. Esta temperatura mínima se denomina ‘cero absoluto’ y supone el límite de enfriamiento que se puede alcanzar para cualquier sustancia. El esfuerzo y la complejidad técnica para extraer cada vez más energía interna de una sustancia y, por lo tanto para alcanzar temperaturas cada vez más bajas, aumentan a medida que nos acercamos al cero absoluto, un punto al que es imposible llegar, según nos dice la tercera ley de la termodinámica, pero al que, en principio, podemos acercarnos todo lo que queramos (o podamos).
Existen varias escalas para medir la temperatura de un sistema. Todos estamos familiarizados con la escala Celsius, que usamos diariamente cuando hablamos de la temperatura ambiente o de la temperatura corporal, etc., pero existen otras, como la escala Fahrenheit, que se utiliza principalmente en EE.UU., la escala Rankine, la escala Kelvin, y otras. Algunas de estas escalas se denominan ‘absolutas’ porque su valor cero está establecido por convenio para coincidir con el cero absoluto. Por ejemplo, la escala Celsius no es una escala absoluta ya que su cero se corresponde con el punto de congelación del agua a presión estándar. La escala de temperatura utilizada en el Sistema Internacional de medidas es la escala Kelvin, una escala absoluta cuya unidad es el grado Kelvin, representado por ‘K’. De esta forma, el cero absoluto se corresponde con cero grados Kelvin (0 K). La escala Kelvin es la que usaré a lo largo de esta entrada por lo conveniente que resulta para designar temperaturas cerca del cero absoluto. La conversión entre las escalas Celsius y Kelvin es muy sencilla ya que la magnitud de los grados es la misma en las dos; sólo cambia el origen de las escalas: el cero absoluto, o cero grados Kelvin (0 K), se corresponde con -273,15 grados Celsius (-273,15 °C).
El estudio de sistemas a temperaturas extremadamente bajas ha llevado a descubrimientos de gran relevancia. En 1911, el físico holandés Heike K. Onnes observó que la resistencia eléctrica del mercurio desaparecía cuando era enfriado con helio líquido a 4,19 K, descubriendo así la superconductividad; y fue en 1937 cuando el equipo de físicos formado por el ruso Pyotr Kapitsa y los canadienses John Allen y Don Misener, descubrieron la superfluidezcuando observaron cómo el helio-4 perdía toda su viscosidad a 2,2 K. La superconductividad y la superfluidez fueron descubrimientos fascinantes con potenciales aplicaciones prácticas de gran interés que aún a día de hoy se tratan de desarrollar. Por otra parte, a temperaturas muy próximas al cero absoluto, los átomos de tipo bosón (véase nota 1 abajo) forman condensados de Bose-Einstein (BEC, Bose-Einstein Condensate), un estado nuevo de la materia que fue predicho teóricamente por Albert Einstein y por el físico indio Satyendra Bose en 1925. En un BEC, las partículas que lo componen pierden su identidad y sus propiedades individuales y adquieren una identidad única; es como si dejara de haber partículas individuales para pasar todo el sistema a existir como una gran entidad cuántica única, como si todo el sistema se condensara en una única partícula (llamada por muchos “superátomo”) con un único estado cuántico. Dada la dificultad en alcanzar las temperaturas requeridas para conseguir un BEC, hubo que esperar hasta 1995 para poder probar su existencia de forma experimental. Ese año, los físicos estadounidenses Carl Wieman y Eric Cornell, utilizando sofisticadas técnicas de enfriamiento por láser y por evaporación, consiguieron un condensado de unos 2.000 átomos de rubidio, que llegaron a enfriar hasta 20 milmillonésimas de grado por encima del cero absoluto (0,00000002 K), logrando así el primer BEC de la historia. Pocas semanas después, el equipo del Instituto Tecnológico de Massachusetts liderado por el físico alemán Wolfgang Ketterle logró el segundo BEC, esta vez utilizando átomos de sodio. Por estos logros, Wieman, Cornell y Ketterle fueron galardonados con el Premio Nobel de Física en 2001. A muy bajas temperaturas también se estudian gases fermiónicos, compuestos por átomos de tipo fermión (véase nota 1), en los que se ha observado que sus átomos se unen por pares para fluir sin fricción, lo que se sabe que está directamente relacionado con la superconductividad, por ejemplo. Ahora, el JPL también ha conseguido un condensado de Bose-Einstein de isótopos de rubidio a 200 milmillonésimas de grado Kelvin (200 nK) en un prototipo del CAL en el JPL, lo que constituye un paso de gran relevancia de cara al futuro éxito de este laboratorio a bordo de la ISS.
Primer condensado de Bose-Einstein. La imagen muestra, a partir de los datos experimentales, el grado de condensación de átomos de rubidio a medida que se reduce la temperatura. El símbolo ‘nK’ significa ‘nanokelvin’, equivalente a una milmillonésima (0,000000001) de grado. Crédito: NIST/JILA/CU-Boulder.
Más allá del interés en el conocimiento y en la comprensión de los fenómenos cuánticos que se dan a muy bajas temperaturas en gases atómicos, existe un gran interés en su estudio porque están ofreciendo claves, por ejemplo, de cara a poder conseguir desarrollar algún día superconductores a temperatura ambiente. A pesar de que la superconductividad fue descubierta, como hemos visto, hace ya más de un siglo, todavía no se han podido diseñar materiales que sean superconductores a temperatura ambiente. En 1986 se diseñó un material cerámico que se comportaba como un superconductor a 30 K (-243 °C) y desde entonces hasta ahora se ha podido conseguir superconducción a una temperatura máxima de unos 138 K (-135 °C), aún muy lejos de temperaturas por encima del punto de congelación del agua. Se piensa que el estudio de los BEC y de los gases fermiónicos en el rango de temperaturas ultrafrías arrojará luz para conseguir diseñar materiales que sean superconductores a altas temperaturas. La superconducción implica la falta de resistencia eléctrica y, por lo tanto, una enorme eficiencia en la conducción y en la generación de electricidad, por lo que el descubrimiento de superconductores a temperatura ambiente sería de gran beneficio para la humanidad. Por otra parte, el estudio de los condensados de Bose-Einstein es, en particular, de gran interés para el futuro desarrollo de láseres atómicos (a pesar de ser conocidos por este nombre, nótese que la palabra ‘láser’ no es realmente muy afortunada ya que los láseres hacen referencia a la emisión de luz). Dado que todos los átomos en un BEC ocupan el mismo estado cuántico, los BEC pueden de hecho constituir la fuente a partir de la que se pueden generar haces coherentes de átomos, tal como lo hace un láser con haces de luz (fotones). Si bien existe consenso sobre el hecho de que no se puede predecir completamente el rango de aplicaciones que podrán tener los láseres atómicos (tal y como no se pudieron predecir en su día las aplicaciones que tendría el láser, que hoy se usa desde en cirugía hasta en las máquinas registradoras de los supermercados), sí se sabe que su desarrollo abre un enorme espectro de posibilidades en cuanto a sus aplicaciones en holografía y en interferometría atómicas como son el diseño de circuitos integrados mucho más complejos o el desarrollo de sensores capaces de proporcionar niveles de precisión sin precedentes. Otro campo que se beneficiará del estudio de sistemas cuánticos a bajas temperaturas es el de la computación cuántica, la cual promete grandes e impresionantes ventajas frente a la computación actual en términos de velocidad de computación y también en cuanto a los tipos de problemas que se podrían resolver. En principio, la computación cuántica precisa de bajas temperaturas para que las partículas que están involucradas en los procesos de computación y de almacenamiento de información no se muevan de forma caótica (lo cual, como vimos, viene a ser una función de la temperatura) y puedan ser debidamente manipuladas.
Como hemos visto muy brevemente, la investigación en gases cuánticos a temperaturas próximas al cero absoluto es de enorme interés debido a las potenciales aplicaciones prácticas que se pueden derivar de ella. La ventaja de llevar a cabo este tipo de investigaciones en un ambiente de microgravedad como el que proporciona la ISS es que debido a la ausencia de efectos gravitatorios, los átomos pueden ser manipulados más fácilmente, lo que implica que los condensados que se formen puedan ser mantenidos, manipulados y estudiados durante más tiempo. En la Tierra, los condensados de Bose-Einstein deben ser sometidos a trampas magneto-ópticas para retener sus átomos. Esto no será necesario a bordo de la ISS, de forma que se evitarán las hasta ahora inevitables perturbaciones introducidas por estas técnicas. Todo esto también hará posible que las temperaturas alcanzables sean aún menores que las que se consiguen comúnmente en los laboratorios en la Tierra. Como se ha dicho antes, el esfuerzo y la complejidad técnica para alcanzar temperaturas cada vez más bajas aumentan a medida que nos acercamos al cero absoluto, un punto al que es imposible llegar, según nos dice la tercera ley de la termodinámica, pero al que, en principio, podemos acercarnos todo lo que queramos. Se prevé que en el CAL se lleguen a conseguir temperaturas del orden de un ‘picokelvin’ (1 pK), equivalente a la billonésima de grado por encima del cero absoluto. Para hacernos una idea de cuán próxima es una temperatura de este orden al cero absoluto se puede pensar en la siguiente analogía: si hacemos corresponder una temperatura ambiente de 288 K (unos 15 °C) con la máxima distancia de la Tierra a Marte (unos 400 millones de km), 1pK constituiría el grosor de la punta de un lápiz.
Gracias a la radiación cósmica de fondo, sabemos que la temperatura media del universo es de 2,73 K. Por otra parte, la región más fría que jamás haya sido observada en el universo se encuentra en la nebulosa Boomerang, una nebulosa protoplanetaria situada a 5.000 años-luz de nosotros cuyas moléculas de gas se encuentran a 1 K aproximadamente. Así pues, como nota anecdótica, y como justificación del título de esta entrada, cuando los experimentos planeados para el CAL se lleven a cabo a bordo de la ISS se podrá decir que ésta contendrá, tal y como anunció la NASA, el lugar más frío del universo conocido.
Nebulosa Boomerang. La temperatura más baja del universo conocido fue observada en esta nebulosa protoplanetaria, situada a 5.000 años-luz de la Tierra en la dirección de la constelación del Centauro. Las moléculas en el gas nebular en expansión se encuentran a 1 K, sólo un grado por encima del cero absoluto. Crédito: NASA, ESA and The Hubble Heritage Team (STScI/AURA).
Nota 1. Las partículas en la naturaleza están divididas en dos grandes familias: los bosones y los fermiones. La diferencia entre ellas radica en el valor de su ‘espín’, una propiedad intrínsecamente cuántica de las partículas, que tiene que ver con lo que podría asociarse a su ‘giro’ en el sentido clásico; pero no vamos a entrar en esto aquí, baste decir que los bosones son partículas con espines de valor entero (0, 1, 2, etc.) y los fermiones son partículas con espines de valor semientero (1/2, 3/2, etc.). Bosones y fermiones siguen mecánicas estadísticas distintas; esto es, tienden a ocupar estados energéticos de forma diferente. Los bosones siguen la estadística de Bose-Einstein y los fermiones siguen la de Fermi-Dirac, en honor a los científicos que las establecieron, respectivamente. Las partículas que forman la materia, como los electrones y los quarks (que forman los protones y los neutrones), son fermiones; mientras que las partículas portadoras de interacciones fundamentales, como los fotones en la fuerza electromagnética, los gluones en la fuerza nuclear fuerte o las partículas W y Z en la interacción débil, son bosones. Sin embargo, una partícula compuesta por un número par de fermiones resulta ser un bosón, mientras que seguirá siendo un fermión si está compuesta de un número impar de fermiones. De esta forma, por ejemplo, los protones y los neutrones son también fermiones por estar compuestos por tres quarks, mientras que, por ejemplo, un átomo de helio-4 es un bosón ya que está constituido por un número par de fermiones (2 protones, 2 neutrones y 2 electrones). El helio-4 o el rubidio-87 son ejemplos de átomos tipo bosón mientras que el potasio-40 es un ejemplo de átomo tipo fermión.
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