Condensado de Bose Einstein: características, aplicaciones, ejemplos
¿Qué es el condensado de Bose Einstein?
El condensado de Bose Einstein (CBE) es un estado de agregación de la materia, al igual que los estados habituales: gaseoso, líquido y sólido, pero que tiene lugar a temperaturas extremadamente bajas, muy cercanas al cero absoluto.
Consiste en partículas llamadas bosones, que a estas temperaturas se ubican en el estado cuántico de más baja energía, llamado estado fundamental. Albert Einstein predijo esta circunstancia en 1924, tras leer los trabajos que le enviara el físico hindú Satyendra Bose sobre la estadística de los fotones.
No es fácil obtener en el laboratorio las temperaturas necesarias para la formación del condensado de Bose-Einstein, por eso hubo que esperar hasta 1995 para tener la tecnología necesaria.
Ese año los físicos norteamericanos Eric Cornell y Carl Wieman (Universidad de Colorado) y luego el físico alemán Wolfgang Ketterle (MIT), lograron observar los primeros condensados de Bose-Einstein. Los científicos de Colorado emplearon rubidio-87, mientras que Ketterle lo consiguió a través un gas sumamente diluido de átomos de sodio.
Gracias a estos experimentos, que abrieron las puertas a nuevos campos de investigación en la naturaleza de la materia, Ketterle, Cornell y Wieman recibieron el premio Nobel en 2001.
Y es que las bajísimas temperaturas hacen posible que los átomos de un gas con determinadas características se conformen un estado tan ordenado, que consiguen adquirir todos la misma reducida energía y cantidad de movimiento, algo que no sucede en la materia ordinaria.
Características del condensado de Bose-Einstein
Veamos las características principales del condensado de Bose-Einstein:
- El condensado de Bose-Einstein se produce en gases conformados por átomos bosónicos muy diluidos.
- Los átomos en el condensado permanecen en el mismo estado cuántico: el estado fundamental o de más baja energía.
- Se requiere de temperaturas extremadamente bajas, de apenas algunos nano-kelvin por encima del cero absoluto. Cuanto más baja es la temperatura, el comportamiento ondulatorio de las partículas es cada vez más evidente.
- En principio, la materia en el estado de condensado de Bose Einstein no existe en la naturaleza, ya que hasta la fecha no se han detectado en el universo temperaturas por debajo de 3 K.
- Algunos CBE presentan superconductividad y super-fluidez, es decir, carencia de oposición al paso de la corriente, así como de viscosidad.
- Los átomos en el condensado, al estar todos en el mismo estado cuántico, presentan uniformidad en sus propiedades.
Origen del condensado de Bose-Einstein
Cuando se tiene un gas encerrado en un recipiente, normalmente las partículas que lo componen guardan suficiente distancia entre sí, interactuando muy poco, salvo ocasionales colisiones entre ellas y con las paredes del recipiente. De allí deriva el conocido modelo de gas ideal.
Sin embargo las partículas se encuentran en una permanente agitación térmica, y la temperatura es el parámetro decisivo que define la velocidad: a mayor temperatura, más rápido se mueven.
Y si bien la velocidad de cada partícula puede variar, la velocidad promedio del sistema se mantiene constante a una temperatura dada.
Fermiones y bosones
El siguiente hecho importante es que la materia está compuesta de dos tipos de partículas: fermiones y bosones, diferenciados por el espín (momento angular intrínseco), una cualidad enteramente cuántica.
El electrón por ejemplo, es un fermión con espín semi-entero, mientras que los bosones tienen espín entero, haciendo diferente su comportamiento estadístico.
A los fermiones les gusta ser distintos y por eso obedecen el principio de exclusión de Pauli, según el cual no puede haber dos fermiones en el átomo con el mismo estado cuántico. Por esto los electrones se ubican en orbitales atómicos diferentes y así no ocupan el mismo estado cuántico.
En cambio los bosones no se adhieren al principio de exclusión, por lo que no tienen inconveniente en ocupar un mismo estado cuántico.
Naturaleza dual de la materia
Otro hecho clave en la comprensión del CBE es la naturaleza dual de la materia: onda y partícula a la vez.
Tanto fermiones como bosones pueden ser descritos como una onda con determinada extensión en el espacio. La longitud de onda λ de esta onda se relaciona con su momentum o cantidad de movimiento p, a través de la ecuación de De Broglie:
Donde h es la constante de Planck, cuyo valor es 6,62607015 × 10-34 J.s.
A elevadas temperaturas predomina la agitación térmica, lo que significa que el momentum p es grande y la longitud de onda λ es pequeña. Los átomos muestran así sus propiedades como partículas.
Pero cuando la temperatura desciende, la agitación térmica disminuye y con ella el momentum, originando que la longitud de onda aumente y las características ondulatorias prevalezcan. Así, las partículas dejan de estar localizadas, porque las respectivas ondas aumentan su tamaño y se solapan unas con otras.
Existe una cierta temperatura crítica bajo la cual los bosones terminan por encontrarse en el estado fundamental, que es el estado con la energía más baja (no es 0). Es entonces cuando se produce la condensación.
El resultado es que los átomos bosónicos ya no son distinguibles y el sistema se vuelve una especie de super átomo, descrito mediante una función de onda única. Es equivalente a verlo a través de una poderosa lente de aumento con la que se pueden apreciar sus detalles.
¿Cómo se obtiene el condensado?
La dificultad del experimento radica en mantener el sistema a temperaturas suficientemente bajas, para que así la longitud de onda de De Broglie siga siendo alta.
Los científicos de Colorado lo consiguieron mediante un sistema de enfriamiento con láser, que consiste en golpear frontalmente a la muestra de átomos con seis haces de luz láser para frenarlos bruscamente y así disminuir drásticamente su agitación térmica.
Luego los átomos más fríos y lentos fueron atrapados mediante un campo magnético, dejando escapar a los más rápidos para enfriar aún más el sistema.
Los átomos confinados de esta manera lograron formar, por breves instantes, una minúscula gota de CBE, que duró el tiempo suficiente como para ser registrada en una imagen.
Aplicaciones y ejemplos
Las aplicaciones de los CBE actualmente se encuentran en pleno desarrollo y todavía pasará algún tiempo antes de concretarse.
Computación cuántica
Mantener la coherencia en las computadoras cuánticas no es una tarea fácil, por lo que se ha propuesto a los CBE como un medio para mantener el intercambio de información entre computadoras cuánticas individuales.
Reducción de la velocidad de la luz
La velocidad de la luz en el vacío es una constante de la naturaleza, aunque su valor en otros medios, como en el agua, puede ser diferente.
Gracias a los CBE es posible reducir en gran medida la velocidad de la luz, hasta 17 m/s, de acuerdo con algunos experimentos. Se trata de algo que permitirá no solo profundizar aún más en el estudio de la naturaleza de la luz, sino de su uso en computación cuántica para almacenar información.
Relojes atómicos de gran precisión
Los átomos fríos permiten la creación de relojes atómicos de gran precisión, que experimentan mínimos retrasos en períodos largos, del orden de millones de años, cualidades muy útiles al momento de sincronizar los sistemas de GPS.
Simulación de procesos cosmológicos
Las fuerzas atómicas que se generan en el condensado pueden ayudar a simular las condiciones en que se producen procesos físicos dentro de algunos objetos notables en el universo, como las estrellas de neutrones y los agujeros negros.
Referencias
- Bauer, W. 2011. Física para Ingeniería y Ciencias. Volumen 1. Mc Graw Hill.
- Chang, R. 2013. Química. Undécima edición. McGraw Hill Educación.
- LandSil. Los cinco estados de la materia. Recuperado de: landsil.com.
- The Qubit Report. Bose-Einstein Condensate Formation Speed Increased, Method of Formation Simplified. Recuperado de: qubitreport.com.
- Tipler, P. 2008. Modern Physics. 5th. Edit. W. H. Freeman & Company.