Un nuevo estado de la materia: La Condensación de Bose-Einstein

Los premios Nobel 2001 en física, Eric A. Cornell y Carl E. Weiman de la Universidad de Colorado (USA) y Wolfgang Ketterle del Massachusetts Institute of technology (USA), lograron crear un nuevo estado de la materia -- la condensación de Bose-Einstein -- demostrando así una predicción teórica hecha por Albert Einstein en 1924. Utilizando técnicas experimentales muy sofisticadas de física atómica, tales como enfriamiento por laser, atrapamiento de átomos por medio de campos magnéticos y enfriamiento evaporativo, lograron la temperatura record de 0.000 000 02 grados Kelvin por encima del cero absoluto (-273 ° C), a la cual dicho fenómeno se manifiesta claramente. En el caso de Cornell y Weiman utilizaron un gas diluido de átomos de rubidio mientras que Ketterle lo hizo poco tiempo después con átomos de sodio.

Introducción general

La materia que nos rodea está compuesta por átomos que obedecen las leyes de la mecánica cuántica. A temperaturas normales éstas concuerdan con las nociones clásicas, y un gas se comporta como un conjunto de pelotas encerradas en una caja que continuamente se chocan unas con otras. A medida que disminuye la temperatura comienza a manifestarse el carácter cuántico de los átomos el cual puede clasificarse según su espín: fermiones si tienen espín semientero y bosones si tienen espín entero. Los fermiones son poco sociables y nunca dos de ellos pueden ocupar el mismo estado cuántico. Por el contrario, los bosones si son sociables y tienden a favorecer la ocupación múltiple de un mismo estado cuántico. Los átomos de sodio y rubidio utilizados en estos experimentos pertenecen a esta última familia de partículas.

A temperaturas normales (ambiente, por ejemplo), la diferencia entre ambos tipos de conducta social es apenas perceptible. Pero a temperaturas suficientemente bajas, tal como lo predijo Einstein, los bosones tienden a acumularse en el estado cuántico energéticamente más bajo conformando el llamado condensado de Bose-Einstein.

¿Qué es la condensación de Bose-Einstein ?

La condensación de Bose-Einstein es un fenómeno cuántico que se manifiesta a escalas macroscópicas. Este nuevo estado de la materia fue predicho por Albert Einstein en la década del 20 contemporáneamente al desarrollo de la mecánica cuántica. Einstein aplicó el nuevo concepto de estadística de Bose a un gas ideal de átomos idénticos que estaban en equilibrio térmico y encerrados en una caja.

Un gas ideal de Bose es una colección de N partículas bosónicas no-interactuantes. Siguiendo las leyes de la mecánica cuántica estas partículas tienen una naturaleza ondulatoria que a ciertas temperaturas puede ser caracterizada por la longitud de onda de Broglie LB = (h2/2 pi mkBT)1/2, donde m es la masa de la partícula, T la temperatura del sistema, h la constante de Planck, y kB la constante de Boltzman. A altas temperaturas, cuando LB es más chica que la distancia entre partículas, las propiedades del gas están dominadas por el movimiento térmico de las mismas (ver figura) como si fueran partículas localizables.

Pero a medida que la temperatura desciende, LB toma valores grandes comparados con los de las distancias entre partículas y comienza a emerger el carácter ondulatorio de los átomos. Así, las diferentes ondas de materia pueden sentirse unas con otras y coordinar su estado produciendo la condensación de Bose-Einstein (ver figura). Se suele decir que se produce un superátomo ya que todo el sistema queda descripto por una única función de onda, exactamente como ocurre en un solo átomo. También se puede hablar de materia coherente como ocurre con la luz coherente en el caso de un láser.

Perspectivas

La condensación de Bose-Einstein se va perfilando como un nuevo campo de la Física donde el control del comportamiento cuántico de la materia a escala macroscópica abre un inmenso abanico de aplicaciones tales como el desarrollo de interferometría atómica ultraprecisa, la obtención de relojes atómicos mucho más estables que los actuales, y el empleo de láseres de átomos para diseñar nanoestructuras con extraordinaria precisión.

Recientemente el grupo de Colorado ha demostrado que en 85Rb es posible generar fuerzas atómicas repulsivas y atractivas produciendo la disolución del condensado, lo que permitiría reproducir condiciones extremas cruciales para comprender algunos procesos físicos que tienen lugar en el interior de las estrellas enanas, o incluso en la vecindad de los agujeros negros.

Por otro lado ya ha comenzado la carrera por la creación de gases de átomos fermiónicos cuánticamente degenerados, lo cual requiere también temperaturas ultrabajas. Si bien los fermiones se comportan completamente distinto a los bosones, parecen constituir una fuente igualmente excitante de la nueva física que se viene.