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Ciencia

El quinto estado de la materia

Un equipo de científicos São Carlos (interior de São Paulo) cree haber llegado a un condensado de Bose-Einstein con átomos casi quietos

Allí estaban, en el medio de una nube gaseosa de 10 mil partículas elementales de sodio. Eran aproximadamente mil átomos, apilados unos arriba de otros, a una temperatura de 70 milmillonésimas de grado por sobre el cero absoluto: 0 grado Kelvin (equivalente a 273,15 °C bajo cero). Ese millar de átomos hiperfríos configura el primer indicio de que el quinto estado de la materia podría haber sido creado en un laboratorio brasileño. Físicos de la Universidad de São Paulo (USP) creen haber producido un Condensado de Bose-Einstein, nombre que se le asigna a un agrupamiento de átomos (o moléculas) que, cuando se lo somete a un frío intenso, se comporta como una sola entidad.

Es como si al estar tan juntos, los átomos en esa fase de la materia formasen en realidad un solo superátomo, al permanecer prácticamente inmóviles y ocupar el mismo espacio físico. “Todavía no hemos detectado directamente el condensado”, afirma Vanderlei Bagnato, del Instituto de Física de São Carlos (IFSC) de la USP, coordinador del experimento, realizado en el marco de un proyecto temático financiado por la FAPESP. “Pero las evidencias indirectas son convincentes.”

El condensado, un estado de la materia previsto en la década de 1920 por el físico indio Satyendra Bose y también por Albert Einstein (de allí su nombre), abre las puertas a un mundo no muy bien comprendido aún. En éste, todos los átomos se mueven a una misma velocidad, la más baja posible -o, de acuerdo con una definición más técnica, ocupan el mismo nivel basal de energía cuántica. Esa propiedad no se encuentra en otros estados de la materia (el sólido, el líquido, el gaseoso o el plasma), en los cuales los átomos presentan variados niveles de energía.

Los físicos conjeturan que tal característica puede ser útil en futuras aplicaciones en campos tales como la computación cuántica, o en nuevas formas de láseres. Durante siete décadas, dicho estado de la materia no fue más que un concepto. Pero en 1995, dos grupos independientes, uno de la Universidad de Colorado y otro del Instituto de Tecnología de Massachusetts crearon los primeros condensados de rubidio y de sodio. Este logró los llevó a compartir el premio Nobel de Física de 2001.

Por lo pronto, la señal más confiable de que una parte de la fría nube de sodio creada en São Carlos ha dejado atrás la física clásica para ingresar en el mundo cuántico es el espacio ocupado por una fracción de sus átomos -la fracción que los científicos creen que compone el condensado. La medida de la llamada densidad en el espacio de fase es un parámetro utilizado en física para designar a la materia cuántica.

“De acuerdo con este parámetro, nuestra muestra presenta el condensado”, dice Bagnato. Cuanto menor es el tamaño de una nube gaseosa confinada, menor es su cantidad de energía y, por consiguiente, más baja es su temperatura. Pero, -esto quiere decir que los científicos tomaron una especie de fotografía digital de los átomos del condensado y midieron su tamaño- Bueno, no es eso precisamente.

A decir verdad, lo que ellos hicieron fue iluminar con un láser la nube de átomos de sodio y observar la formación de penumbras. Donde había átomos registraron tanto la absorción de luz y como la generación de su respectiva sombra. Luego obtuvieron un registro de esa sombra en sensores electrónicos similares a los de una cámara digital. De manera indirecta, midieron el tamaño de la nube de átomos y de un eventual condensado que pudiese estar allí.

Luego de haber realizado los procedimientos descritos anteriormente, el equipo del IFSC arribó a la conclusión de que el tamaño de los 10 mil átomos de la nube de sodio producida en su laboratorio llegaba a medir 6 micrómetros (la unidad correspondiente a un metro dividido en un millón de partes) en promedio. En tanto, el tamaño específico de los mil átomos que forman el aparente condensado era de alrededor de dos micrómetros.

De acuerdo con las medidas tomadas por los científicos, un agrupamiento de átomos de sodio de tal magnitud se encuentra a una temperatura de 70 nanoKelvin, los mentados 70 milmillonésimos de grado sobre el cero absoluto. En las condiciones en que se llevó a cabo el experimento, los átomos a esa temperatura y con la densidad medida llegan a la degeneración cuántica, formando un Condensado de Bose-Einstein. Ellos no saben con certeza cuántos átomos llegaron a este estado de la materia. Calculan que son alrededor de mil. Pero ahí radica el problema: este tipo de evidencia no basta para probar que allí había un condensado. “Es necesario ver explícitamente la fracción de átomos condensados”, explica Bagnato.

Debido al escaso número de átomos utilizados en el experimento (en la actualidad grupos del exterior están logrando condensados de miles de millones de átomos) y a las limitaciones propias de las máquinas empleadas por los científicos paulistas, no se hizo posible observar de manera directa los átomos del condensado, una medición que comprueba inequívocamente su existencia. Faltó hacer la denominada prueba del tiempo de vuelo de los átomos que, en el seno de la nube gaseosa, permite separar las partículas que han llegado a la degeneración cuántica -y forman un condensado- de aquéllas que no han llegado a tal punto. “Fuimos hasta el límite que permitían nuestros equipos, pero no pudimos hacer la prueba del tiempo de vuelo”, afirma Luis Gustavo Marcassa, otro investigador del IFSC.

Pero, ¿en que consiste dicha prueba? Cuando los científicos desconectan toda la parafernalia que enfría la nube de átomos de sodio, tienen entre 5 y 15 milisegundos para registrar la energía cinética (la velocidad) de las partículas presentes en el gas diluido. Con base en esa medición, infieren su temperatura. Cuando existe un condensado en medio de una nube gaseosa, la prueba de tiempo de vuelo resulta en una figura que se asemeja a una montaña con una cúspide bien aguda.

Tal figura aún no ha sido generada. “Algún tipo de contaminación del medio externo ha de haber interferido en el experimento”, opina el físico teórico Mahir Saleh Hussein, de la USP de la capital paulista. Bagnato cree que las limitaciones obedecen a la existencia de campos magnéticos externos que hace que los átomos se desplacen. El problema podrá subsanarse si los científicos logran elaborar un condensado con más átomos, probablemente empleando otro tipo de equipo que, por cierto: ya se está siendo construido.

El Proyecto
Átomos Fríos en Régimen Cuántico y No Cuántico: Colisiones Atómicas y Otros Experimentos
Modalidad
Proyecto Temático
Coordinador
Vanderlei Bagnato – Instituto de Física de São Carlos/ USP
Inversión
R$ 1. 188.917,18