7.- El condensado de Bose-Einstein.

Esta vez, el asunto se centra en un nuevo estado de la materia que no es líquido, ni sólido, ni gaseoso, tan sorprendente como ondas macroscópicas que causan interferencias visibles de forma directa, como fantasmas procedentes de un mundo de fantasía que se han infiltrado en nuestra realidad física. El hindú Satyendra Nath Bose había investigado la mecánica estadística en un gas ideal, formado por partículas bosónicas de interacción muy débil, y en 1924 Einstein predijo el condensado basándose en el trabajo de Bose.

La primera confirmación experimental data del año 1995, cuando varios físicos de la universidad de Colorado consiguieron crear un condensado formado por 2000 átomos de rubidio-87. Este sorprendente resultado confirmó que las partículas pueden encontrarse realmente en un estado ondulatorio como lo describe la mecánica cuántica, y si añadimos que otras veces se ajustan a la mecánica clásica como las bolas de billar, entonces la realidad es lo bastante extraña como para unir en una sola partícula dos estados que parecen imposibles. Con razón afirman algunos teóricos que si creemos entender la mecánica cuántica es que no hemos entendido nada.

Las partículas bosónicas son aquellas que pueden tener iguales todos los números cuánticos, es decir, todos los estados descritos por la mecánica cuántica. Están relacionadas con las fuerzas que tienen lugar en las interacciones y por eso desempeñan la función de partículas portadoras. Por ejemplo, los fotones son portadores de todas las interacciones electromagnéticas, los gluones son los responsables de la fuerza nuclear fuerte que mantiene ligados a los quarks de protones y neutrones, y los bosones W y Z son los responsables de la fuerza nuclear débil.

La condición de poder tener iguales todos los números cuánticos hace que los bosones puedan ocupar la misma posición en el espacio, aunque tal posición se entiende como la zona de mayor probabilidad de encontrar a las partículas, pues ya sabemos que las ondas cuánticas son de probabilidad. Los protones y neutrones no son bosones, pero algunos átomos como el rubidio se comportan de esa forma y en estado ondulatorio es predecible que se superpongan.

Al contrario que los bosones, los fermiones son las partículas que cumplen el principio de exclusión de Pauli, como los electrones que solo pueden ocupar el mismo orbital si se distinguen por el número de spin, siempre fraccionario en los fermiones y entero en los bosones. Para que dos electrones puedan ocupar el mismo orbital, uno tendrá spin 1/2 y el otro -1/2, pero ya no habrá más electrones que puedan ocuparlo. Sin embargo, es posible que agrupaciones de fermiones compensen el spin y tiendan a comportarse como bosones, razón por la que protones y neutrones no pueden pero algunos átomos si.

Como no se podía conocer el estado microscópico de un sistema de partículas, Bose invirtió su tiempo en predecir estadísticamente cuántas partículas podrían existir en el sistema con una característica determinada, con especial interés en aquellas que podían mostrar un estado ondulatorio como el predicho por Louis de Broglie. Con altas temperaturas, las partículas de un gas se comportan como bolas de billar, a menores temperaturas comienzan a mostrar propiedades de una onda que se superpone con las demás, formando un condensado. Por último, parecía predecible que en el cero absoluto la materia se comportaría como una sola onda gigante.

Según las conclusiones de Bose y Einstein, por debajo de una cierta temperatura crítica muy cercana al cero absoluto, habría muchas partículas que ocuparían repentinamente el nivel más bajo de energía, dando lugar a un nuevo estado de la materia sin individualidad de partículas, como un solo átomo gigante que sería descrito por una sola función de onda.

El problema es que tal estado no se consigue con el simple proceso de enfriar el gas, puesto que su tendencia natural será el paso a un estado líquido y sólido. Para obtener el condensado se necesita hacer trampas a la naturaleza, impidiendo que los átomos del gas se agrupen a medida que se enfrían. Por esa razón, los átomos deben ser de interacción muy débil, el gas de muestra tiene que estar extraordinariamente enrarecido, y sus átomos confinados en una trampa óptica y magnética que los impida chocar entre sí o con las paredes del recipiente.

Con una densidad tan baja, la temperatura crítica es del orden del nanoKelvin como se muestra en la figura inicial de este apartado, representando los porcentajes de átomos que alcanzan el estado de condensado para tres temperaturas.

El proceso de enfriamiento tan cercano al cero absoluto requiere un enfriamiento inicial con láser y otro posterior por evaporación que consigue reducir aún más la temperatura alcanzada con el láser. Para conseguir el enfriamiento con láser se debe ajustar su frecuencia de forma que los átomos más rápidos queden excitados y no puedan absorber más fotones, que los calentarían. Así, los fotones rebotan en los átomos ya excitados y éstos son frenados, lo que es equivalente a reducir su temperatura. Todos los átomos reciben la luz con una frecuencia que depende de sus velocidades respecto del láser, debido al efecto Doppler, de forma que habrá una frecuencia óptima del láser que facilita el frenado de los que se acercan más rápido pero afecta en menor grado a los demás. A medida que avanza el enfriamiento, la frecuencia del láser se reajusta a las nuevas condiciones.

El proceso de evaporación consiste en reducir el confinamiento magnético, facilitando que los átomos más rápidos puedan escapar de la trampa y se queden los que han llegado al mayor grado de reposo, que serán los más fríos.

En los primeros experimentos, los átomos escapaban con facilidad de la trampa de confinamiento porque no había campo magnético en el centro, pero la rotación de los campos magnéticos resolvió el problema. Sin embargo, por encima de una cierta velocidad crítica de rotación, se producen vórtices que tienden a quedar alineados en filas, formando una red triangular con el aspecto que puede verse en la figura para 4 velocidades de rotación.

Al acercar entre sí dos condensados no rebotan como los sólidos ni se mezclan como los líquidos o gases. En lugar de eso producen un patrón de interferencias, como se verá en la siguiente figura, que pone de manifiesto su naturaleza ondulatoria y que no tendría lugar si tales ondas de materia no fueran coherentes, es decir, superpuestas de forma que se sumen sus amplitudes, con la misma frecuencia y la misma longitud de onda, con el mismo estado cuántico en definitiva. Cuando se liberan partes de un condensado se pueden ver pulsos de materia coherente, un concepto equivalente a un láser atómico en lugar de un láser fotónico o de luz.

Se pueden citar otros efectos relacionados con los condensados como la superfluidez del helio-4 en estado líquido, que es debida a que una décima parte de sus átomos se agrupan en un condensado. Otro ejemplo es la superconductividad de los metales a pesar de que los electrones son fermiones, agrupándose en parejas que compensan su spin y adquieren carácter bosónico. Estos sistemas se distancian mucho de las condiciones marcadas por Bose y Einstein para llegar a un condensado, pues no son gases de partículas con densidad extremadamente baja. La observación de las propiedades de un condensado se perjudica mucho por las intensas interacciones entre los átomos de un sistema muy denso.

Entre las aplicaciones que se consideran posibles están los interferómetros atómicos de gran precisión, relojes atómicos mucho más estables, diseño de estructuras nanométricas con láseres atómicos, generar fuerzas atractivas y repulsivas sobre átomos individuales, etc. Las aplicaciones son muchas, pero lo más importante es que permiten la observación directa de lo que es imposible observar a nivel microscópico, una verdadera puerta para comprender mejor las extrañas leyes de la mecánica cuántica.

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