Bajar al cero absoluto

Bajar al cero absoluto

“Fue aquí, en este ‘refrigerador de átomos’. Este es el lugar donde, hace 15 años, logramos las temperaturas más bajas que se han generado hasta el momento”, dice el físico Wolfgang Ketterle, señalando con el dedo una pequeña caja negra envuelta en papel de aluminio, rodeada de cables que parecen serpientes en una selva de alta tecnología.

18 de abril 2010 , 12:00 a.m.

Estamos en su laboratorio del Massachusetts Institute of Technology, un espacio oscuro y reducido lleno a más no poder de cables de alta tensión, imanes, espejos, tubos de vacío, generadores de rayos láser y otros dispositivos extraños que desafían una descripción.

Esas temperaturas de las que habla Ketterle no son los -89°C del Polo Sur.

Ni siquiera los -227°C de la superficie de la Luna. Comparadas con la brutalidad del cero absoluto, estas son cifras irrisorias, tan lejanas de éste como Nueva York está de Londres. Porque los números a los que Ketterle se refiere son el último récord de la física de lo ultrafrío: el estudio en el laboratorio de la materia a temperaturas tan alucinantes, que hacen que los átomos –y hasta la luz misma– se comporten de formas estrambóticas.

Por ejemplo, a -262°C desaparece la resistencia eléctrica de algunos materiales y crea el fenómeno conocido como superconductividad. A temperaturas aún más bajas algunos gases convertidos en líquidos son capaces de atravesar las paredes de un recipiente de cristal, y hasta aparentan desafiar la gravedad arrastrándose hacia arriba por sí solos. Otros más sufren extrañas crisis de identidad, actuando como ondas en lugar de átomos.

La manipulación de estos aberrantes comportamientos tendrá aplicaciones en tecnologías que eventualmente regirán nuestras vidas cotidianas, sin ir más lejos, la computación cuántica (que permitirá el flujo de cantidades ilimitadas de información a velocidades enormes), la fabricación de materiales aún insospechados y el santo grial de la física: superconductores que funcionen –irónicamente– a temperatura ambiente.

Para Ketterle y su equipo, el descenso a la orilla del cero absoluto significó haber descubierto una nueva forma de materia (el condensado de Bose-Einstein, predicho por Albert y por Satyendra Nat Bose) -y con ella, el Premio Nobel de Física en 2001, compartido con la Universidad de Colorado.

El cero absoluto está definido internacionalmente como -273°C. (o sea 0°Kelvin). Puesto que en la física la temperatura es una medida de la rapidez con que se mueven los átomos, el cero absoluto es un estado en el cual es imposible extraer más energía calórica de una substancia, y por lo tanto los átomos casi ni se mueven. A temperatura ambiente, los átomos se mueven a unos 500 metros por segundo. Pero si se los somete a casi el cero absoluto, su velocidad disminuirá a unos 20 centímetros por segundo. Esto es suficiente para observar detalles en su estructura interna que no son visibles de otra manera. Es lo mismo que tratar de adivinar el color del timón de un auto que pasa frente a usted a 80 km por hora. En cambio, si ese auto pasa mucho más lentamente, usted podrá observar detalles tales como el tapizado.

La hazaña de Ketterle se llevó a cabo trabajando con una diminuta nube de moléculas de sodio atrapadas dentro de una pared de imanes, que produjo el primer condensado de Bose-Einstein, o BEC. Desde entonces, los BEC son producidos en forma rutinaria en varios laboratorios de investigaciones.

“Ahora usamos sodio, litio y rubidio”, dice Ketterle, “porque los distintos elementos tienen propiedades que nos permiten crear distintas formas de materia en el ultrafrío. Aquí puede ver varios láseres que irradian a los átomos, bombardeándolos desde seis direcciones a la vez. Uno normalmente asocia al láser con calor, pero si se lo sintoniza a la misma frecuencia de los átomos que viajan a una velocidad particular, es capaz de enfriar los átomos y hacerlos detenerse. Esta trampa óptica se llama enfriamiento por láser y yo no la inventé. Pero por sí sola no es suficiente para crear las temperaturas más bajas. Para ello tuvimos que añadir el enfriamiento por evaporación.

“Es lo mismo que sucede dentro de una taza de café que tiene vapor que sale por el borde. Ese vapor son las moléculas más calientes del café, que se escapan y se llevan con ellas gran parte de la energía. En el caso de los átomos, los ponemos dentro de una especie de taza magnética. Los confinamos allí, de tal manera que sólo los más calientes tienen la energía suficiente para escapar por el borde, mientras los más fríos se congregan en el fondo.

Y a medida que eso sucede bajamos gradualmente los bordes de la trampa magnética, de tal manera que los átomos tibios siguen escapando, hasta que sólo quedan los más fríos y densos. Ese es el condensado de Bose-Einstein”. .

Como en un estadio Los BEC no son gases, ni líquidos ni sólidos. Y los físicos aún están perplejos ante esta forma de materia.

“Cuando uno baja a temperaturas extremas, las propiedades cuanto-mecánicas de los átomos se convierten en algo importante”, dice el físico del MIT Daniel Kleppner. “Y lo que sucede es que cada átomo comienza a comportarse como si fuera una onda. Entonces, en lugar de puntos, lo que se tiene son unos paquetitos de ondas que se mueven por ahí. Es muy difícil para mí explicarle esto, pero es exactamente lo que sucede. Ahora bien: cuanto más baja sea la temperatura, esas ondas se hacen más y más largas, hasta que comienzan a montarse una sobre la otra. Y cuando eso sucede, el sistema ya no se comporta como partículas individuales, sino como partículas que han perdido su identidad. Todas piensan que están en todas partes a la vez. Ese paquetito de aquí no sabe si es este o si es ese de allá. Todos están dentro de un mismo estado cuántico. Todos están tocándose y haciendo la misma cosa, y lo que hacen es simplemente quedarse ahí sentados descansando. Eso es un condensado de Bose-Einstein. No existe algo semejante en la física. Y ciertamente tampoco en la experiencia humana”.

Este estado cuántico es fascinante, dicen los físicos, porque les da coherencia a los átomos. Y esta es una propiedad bastante útil cuando uno quiere entender las propiedades básicas de la materia. Un ejemplo es un juego de fútbol: cuando uno está dentro del estadio, todo el mundo está gritando al mismo tiempo, y el nivel de ruido incoherente es muy alto. Pero ¿qué sucede cuando hay un gol? Todo el mundo grita simultáneamente ¡gooooool!, y el sonido es alto y claro, perfectamente reconocible porque es coherente. Entonces, teniendo los átomos atrapados en el ultrafrío, no sólo es posible verlos en cámara lenta, sino interrogarlos y obtener de ellos una respuesta clara: “¡Gol!” Eso es mucho mejor que intentar trabajar con átomos que van cada uno por su lado. Esta es la superconductividad.

Últimamente, Ketterle persigue un nuevo objetivo: los fermiones. A diferencia de los bosones (los átomos que forman los BEC), que tienen un número par de protones, neutrones y electrones, los fermiones son criaturas que tienen un número impar de esos elementos. Además tienen personalidades diferentes: mientras los bosones son seres sociables, sus primos son solitarios. Y esas diferencias hacen que se comporten de otra forma. Una que podría permitir el descubrimiento del siglo: superconductores a temperatura ambiente. Estos materiales tendrían aplicaciones tremendas. Desde la distribución de electricidad en una ciudad, hasta mejores equipos de resonancia magnética y avances alucinantes en el transporte.

“Hace 20 años se descubrió una nueva clase de materiales llamados superconductores de alta temperatura”, explica Ketterle haciendo uno que otro ajuste en su enredijo de aparatos. “Es decir, requerían menos frío que los demás usados hasta el momento. Fue un paso revolucionario, pero desde entonces el mundo ha estado esperando el siguiente. Nosotros esperamos que las investigaciones con fermiones ultrafríos nos dirán finalmente si es posible hacer realidad el sueño de los superconductores a temperatura ambiente, o si esto no sucederá jamás. Es una pregunta abierta y una emocionante nueva frontera de la física”

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