Científicos mexicanos buscan obtener su primer condensado de Bose-Einstein
Por Tania María Robles Hernández
México, DF. 2 de junio de 2015 (Agencia Informativa Conacyt).- Investigadores del Instituto de Física de la Universidad Nacional Autónoma de México (UNAM) buscan, a través de un experimento, alcanzar las temperaturas más frías del universo. Se trata de llevar una muestra de materia a una temperatura de cien milmillonésimas de grado Kelvin (K) arriba del cero absoluto (es decir, prácticamente cero), y de esta forma obtener el condensado de Bose-Einstein, estudio ganador del Premio Nobel de Física 2001.
En entrevista con la Agencia Informativa Conacyt, el doctor Jorge Seman explicó los detalles de la investigación. Es la primera vez que se intenta este experimento en México y se realizará en el Laboratorio Nacional de Materia Cuántica.
La condensación de Bose-Einstein es un estado de la materia que puede presentarse en algunos objetos a temperaturas ultrafrías, y que tiene un comportamiento cuántico observable macroscópicamente. “Son muy escasos los objetos macroscópicos que solo pueden ser descritos a través de la mecánica cuántica”, expresó Seman.
El estudio directo de este comportamiento a nivel macroscópico es el objetivo de este ambicioso proyecto, pues para que dicho comportamiento cuántico se presente de manera macroscópica, la materia 
debe de encontrarse a una temperatura muy cercana de la más baja posible en el universo, es decir, a cero grados Kelvin o su equivalente de -273.15 grados Celsius (C), detalló el investigador.
“No hay ningún lugar en el universo a esa temperatura”, añadió. Este experimento permitirá alcanzar temperaturas de cien nanokelvin, es decir, cien milmillonésimas de grado arriba del cero absoluto.
Explicó que el comportamiento de un objeto macroscópico, como por ejemplo una pelota de futbol, es muy diferente al comportamiento individual de los átomos que lo componen. El mundo microscópico de los átomos o los electrones respeta las leyes de la mecánica cuántica, una de las ramas de la física que se desarrolló durante el siglo XX.
Los objetos cuánticos presentan comportamientos que no tienen análogos en el mundo macroscópico al que estamos habituados en nuestro día a día, agregó. Ejemplo de este comportamiento es la dualidad onda-partícula, que predice que los objetos cuánticos se comportan simultáneamente como ondas y como partículas. Cuando tenemos billones y billones de átomos formando un objeto macroscópico, las propiedades cuánticas de estos se “promedian”, dando origen al comportamiento clásico que experimentamos todos los días, abundó Seman.
Existen, sin embargo, objetos macroscópicos que se comportan de manera cuántica, como es el caso de la materia ultrafría y los condensados de Bose-Einstein. Lo anterior se debe a que estos sistemas están tan fríos que la energía disponible para cada átomo no es suficiente para que este “haga muchas cosas”, dijo. En cambio, lo que se tiene es un sistema compuesto por millones de átomos, todos comportándose de manera muy parecida. El resultado es un sistema macroscópico que se comporta como un objeto cuántico individual, agregó.
Diseño y operación de científicos mexicanos
El desafío experimental que este proyecto representa es muy grande, pues en la vida cotidiana sabemos que para enfriar un objeto se requiere ponerlo en contacto con algún otro que se encuentre a temperatura más baja, para así equiparar las temperaturas y llegar a un equilibrio térmico.
Sin embargo, en el experimento en cuestión se quiere llevar a la muestra a las temperaturas más bajas del universo, por lo que es imposible contar con un objeto más frío para ponerlo en contacto con esta. Es necesario, en cambio, el uso de técnicas especiales para poder realizarlo, comentó el doctor Jorge Seman.
Una parte muy importante del proyecto es el aislamiento de la materia que se quiere llevar a casi cero grados Kelvin, pues si el sistema no estuviera aislado, el entorno físico podría elevar la temperatura de la muestra por inducción y terminar con el experimento. “El primer paso es construir un ambiente a ultra alto vacío, y lo único que habrá adentro serán los átomos de la muestra que quiero enfriar”, manifestó.
El experimento se producirá dentro de un sistema a ultra alto vacío para evitar cualquier interferencia entre la materia a estudiar y el exterior. Este sistema está conformado por una cámara metálica conectada a bombas de vacío que alcanzarán una presión de 10-11torr; “esta presión significa que no hay prácticamente nada en el sistema”, añadió. Las bombas trabajan 24 horas al día para mantener al sistema aislado completamente.
Para alcanzar este vacío, explicó que primero se bombea todo el aire u otros componentes indeseables que se encuentren en el interior de la cámara. Posteriormente, para eliminar moléculas o partículas restantes, se hace uso de bombas iónicas las cuales, por medio de un campo eléctrico muy intenso que está dentro de ellas, romperán las moléculas, es decir, arrancarán electrones de los átomos para que así las cargas eléctricas positivas y negativas se separen y se unan a electrodos separados; así, el sistema quedará libre de partículas.
Agregó que una vez alcanzado el vacío deseado, se libera el material a enfriar, el cual es vapor de litio muy diluido (que se logra por medio de válvulas y tubos que regularán y manipularán el vapor). 
Sistema de vacío“Entre el horno y el resto del sistema hay un agujero muy fino a través del cual pasa el vapor y forma un haz de átomos. Este haz llega a la cámara por los tubos de manera muy controlada. Es decir, yo controlo cuantos átomos van a llegar”, detalló el investigador.
El litio (Li) es un metal alcalino fácil de enfriar el cual, previamente a ser expuesto para su enfriamiento, se encontraba en estado sólido y fue calentado en un horno a 400 grados Celsius para su evaporación, comentó.
Una vez conseguido el ambiente de vacío en el sistema experimental y la muestra necesaria a estudiar, se debe conseguir un recipiente adecuado para contener la muestra. “Si ese vapor se va a convertir en el objeto más frío del universo, no lo puedo poner adentro de cualquier recipiente porque las paredes del mismo van a estar a una temperatura mucho mayor que la temperatura que me interesa alcanzar, por ende calentarán la muestra y ya no podré alcanzar mi objetivo”, dijo.
Para solucionar dicho problema, se construyen recipientes que no están hechos de materia o átomos, sino de campos magnéticos. “Creamos una especie de botella magnética dentro de la cámara utilizando bobinas, electro-imanes externos que vamos a diseñar nosotros para que produzcan el campo magnético que a nosotros nos interesa”, agregó.
Dentro de estos recipientes se planea almacenar los átomos y, dado que el campo magnético no genera cambios de temperatura, es de utilidad en el experimento.
Métodos de enfriamiento
Para enfriar la muestra de material se utiliza luz. Sin embargo, dado a que regularmente la luz es sinónimo de calor o temperatura, Seman explicó que bajo cierto nivel de control específico el fenómeno ocurrirá de forma contraria.
“El modo en que la luz calienta los objetos es porque transfiere energía a los átomos y estos, al moverse, generan calor. Sin embargo, si se tiene suficiente control sobre las propiedades de la luz, se puede hacer que la transferencia de energía ocurra contrariamente. La energía va a absorber la luz, pero al remitirla lo hará con más energía de la que absorbió. Así, la materia transfiere su energía a la luz y en consecuencia se enfriará”, expresó.
Bajo estudios teóricos es posible saber qué parámetros de frecuencia de onda –es decir, color de la luz– y polarización de la luz harán posible que el átomo, al absorber la luz, la remita con más energía. En el caso de este experimento con litio, la luz utilizada es emitida por un láser rojo, cuya luz corresponde a la longitud de onda de 671 nanómetros. Este láser genera luz muy precisa y específica, lo cual le da la capacidad al científico de controlar las características del experimento, abundó Seman.
El investigador detalló que dicha luz se introduce al sistema a través de ventanas en la cámara, las cuales permitirán el paso a seis láseres desde distintas posiciones, todos intersectados y en direcciones perpendiculares. A partir de esto se generará, en la intersección luminosa, la desaceleración de los átomos por la transferencia atómica de energía cinética a la luz; entonces, los átomos se frenarán tras millones de ciclos de absorción y reemisión (inmediatos y repetitivos). Este efecto es conocido como melaza óptica.
En ese punto del experimento, la temperatura de la muestra aún no se encuentra en el grado deseado, pues los átomos de litio están a cien microkelvin; “significa que está a cien millonésimos de grado arriba del cero absoluto. Yo quiero que esté mil veces más frío para que el gas se comporte de forma cuántica”, añadió.
Explicó también que, una vez que el intercambio de energía entre la luz y los átomos de litio ha ocurrido, habrá un punto en el que se llegará a un equilibrio, es decir, la energía que el átomo pierde será igual a la energía que el átomo absorbe de la luz. “En ese punto ya no hay intercambio de energía y la luz ya no es capaz de enfriar. Lo que hacemos después es apagar la luz, los átomos seguirán confinados en el recipiente magnético. El siguiente paso es una técnica llamada enfriamiento evaporativo”, abundó.
Dicha técnica es para eliminar de manera selectiva los átomos más energéticos de la muestra. Por ende, agregó, lo que se tendrá como residuo será materia con menor temperatura. “Puedes imaginarlo 
Trampa magneticacomo cuando quieres enfriar tu comida y soplas, lo que estás eliminando es el vapor más caliente y, por lo tanto, tu comida se enfría”, ejemplificó.
Sucede de la misma forma en el recipiente magnético: las moléculas con mayor energía y temperatura se encuentran en la parte superior del mismo; entonces, para eliminarlas “y dado que yo controlo el campo magnético, puedo cambiar la forma de mi recipiente y hacerlo más pequeño. Así, los átomos más energéticos escaparán del recipiente”, explicó. Y ya que no existe contacto entre los átomos más energéticos y los menos energéticos, entonces la temperatura bajará hasta alcanzar la temperatura deseada, abundó el científico.
“Una vez alcanzada esa temperatura de cien nanokelvin o cien mil millonésimos de grado Kelvin arriba del cero absoluto, la materia sufre una transición de fase termodinámica, parecida a cuando enfriamos agua y se transforma en hielo. En este caso, el vapor diluido –significa que los átomos están muy separados unos de otros y no es posible que se unan para formar un sólido– se convierte en un condensado de Bose-Einstein”, afirmó el especialista en materia ultrafría.
Se estima que el experimento genere un consumo eléctrico de 20 kilovatios (kW) y actualmente tiene un ensamble que mide aproximadamente 1.5 metros (m). No obstante, el doctor Seman manifestó que se requiere mucho más espacio para resguardar los generadores de corriente eléctrica, mesas ópticas, computadoras, láseres, elementos ópticos, entre otros componentes.
Condensado de Bose-Einstein
En un condesando de Bose-Einstein, la materia se comporta de manera ondulatoria. En este experimento, el comportamiento ondular de cada átomo de la muestra será cada vez más parecido al de una onda, detalló el entrevistado.
“Al bajar la temperatura, la onda asociada a cada átomo va creciendo de tamaño. Ahora, lo que tienes es un gas que ya no está compuesto de partículas puntuales sino de ondas, las cuales se empiezan a superponer y sumar; conforme bajas la energía y la longitud de esa onda, va creciendo. Entonces llega un punto en que se superponen y forman una gran onda macroscópica de materia. Ese condensado seguirá estando conformado de átomos pero ahora comportándose como una sola onda; ese objeto tendrá entonces un comportamiento cuántico”, explicó.
Una vez obtenido el condensado de Bose-Einstein de aproximadamente 50 micras de tamaño, se podrán estudiar los fenómenos cuánticos macroscópicos que suceden a tan bajas temperaturas.
“Uno de los fenómenos más importantes que queremos estudiar es la superfluidez. Resulta que en un condensado de Bose-Einstein de este tipo la viscosidad desaparece, y en un fluido donde no hay viscosidad, los vórtices pueden fluir infinitamente ya que no hay ningún mecanismo que los disipe”, añadió.
Otra de las líneas de investigación más interesantes y activas de este campo, agregó el científico, es el uso de los átomos ultrafríos como “simuladores” de otros sistemas más complejos. Los átomos ultrafríos ofrecen un nivel de control sin precedentes. Parámetros como temperatura, densidad, geometría, dimensión e interacciones interatómicas pueden ser controlados externamente con gran precisión, dijo.
Gracias a esto, es posible hacer que las muestras ultrafrías se comporten en modo análogo a otros sistemas físicos más complejos pero teniendo control de todos los parámetros, abundó Seman. De esta manera, podemos utilizar estos sistemas ultrafríos para atacar problemas complicados en otras áreas de la física, como el estado sólido y la materia condensada.
En opinión del investigador, lo anterior podría tener un gran impacto porque nos permitiría entender mejor las propiedades de materiales de interés tecnológico como los superconductores. Es por este motivo que se considera a los átomos ultrafríos como “simuladores cuánticos ideales”.
El doctor Jorge Seman detalló que los científicos del experimento tendrán la tarea de desarrollar muchos de los componentes utilizados, tales como la cámara de captura, los electroimanes generadores de campos magnéticos, la electrónica de control y otros circuitos específicos, software especializado, técnicas de ultra alto vacío y de enfriamiento láser, entre otros. “La construcción y operación del laboratorio implica una derrama tecnológica que podría tener impacto en el futuro”, concluyó.
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