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Características de los condensados de Bose-Einstein

 
Por Rut Blasco. 30 enero 2024
Características de los condensados de Bose-Einstein

En un laboratorio que se encuentra en la Estación Espacial Internacional se ha logrado reproducir una nueva materia muy fría, que no pertenece al grupo de los sólidos, los líquidos, los gases ni el plasma. Este es un descubrimiento tecnológico que permitirá comenzar a investigar nuevos aspectos de la física fundamental, con esta sustancia que se mueve entre el mundo que conocemos y el mundo cuántico.

En esta lección de unPROFESOR, queremos explicarte cuáles son las características de los condensados de Bose-Einstein, para que puedas entender bien este nuevo concepto revolucionario.

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¿Qué son los condensados de Bose-Einstein?

Un condensado de Bose-Einstein es un peculiar estado de la materia que surge al enfriar un gas compuesto por bosones, uno de los dos tipos fundamentales de partículas en la naturaleza, cerca del cero absoluto, es decir, a unos -273.15 °C o 0 kelvin. A esta temperatura extremadamente baja, los átomos dejan de comportarse como individuos independientes y se fusionan en una entidad singular con propiedades cuánticas.

Este fenómeno se clasifica como el quinto estado de la materia, diferente de los que ya conocemos: sólido, líquido, gas y plasma. El condensado de Bose-Einstein actúa como un puente entre el mundo macroscópico, donde rige la física clásica, y el microscópico, gobernado por las leyes de la mecánica cuántica. Su estudio proporciona perspectivas esenciales sobre los misterios de la mecánica cuántica, aunque su medición precisa es difícil a causa de la influencia de la gravedad.

Para superar esta limitación, los científicos del Jet Propulsion Laboratory (Caltech-NASA) de Estados Unidos instalaron en 2018 un laboratorio llamado Cold Atom Lab en la Estación Espacial Internacional. En un reciente informe publicado en la revista Nature, revelaron que lograron generar condensados de Bose-Einstein en condiciones de microgravedad utilizando átomos de rubidio como gas de partida.

Los investigadores observaron y compararon algunas diferencias en las propiedades de esta materia bajo las condiciones de microgravedad en el laboratorio espacial y las observadas en la Tierra. Por ejemplo, el tiempo de expansión libre, que representa el período en el que los átomos se dispersan después de apagar las trampas de confinamiento, resultó ser más extenso en el entorno orbital, superando el segundo, en contraste con las pocas decenas de milisegundos alcanzadas en los laboratorios terrestres.

Este tiempo de observación prolongado se traduce en una mayor precisión en las mediciones. Además, en condiciones de microgravedad, es más probable que los átomos sean capturados por fuerzas más sutiles, facilitando la obtención de temperaturas más bajas, donde los efectos cuánticos se vuelven más notables.

Los resultados exitosos de estos experimentos iniciales indican que el Cold Atom Lab tiene el potencial de impulsar futuras investigaciones con gases atómicos ultrafríos, incluyendo el desarrollo de nuevas trampas exclusivas para microgravedad, fuentes de láser atómico, exploraciones en la física de pocos cuerpos y la aplicación de técnicas de interferometría atómica.

Aquí te descubrimos cuáles son los estados de la materia.

Cuáles son las características de los condensados de Bose-Einstein

El estado condensado de Bose-Einstein se distingue por dos características fundamentales: superfluidez y superconductividad.

  • En primer lugar, la superfluidez implica que la materia condensada pierde toda fricción, permitiendo que los átomos se desplacen sin disipar energía.
  • En el caso de la superconductividad, el condensado presenta una resistencia eléctrica nula, facilitando el flujo de electrones sin pérdida de energía, a menos que colisionen con otras partículas.

Más características

Además de estas propiedades destacadas, existen otras características de los condensados de Bose-Einstein destacadas. Son las siguientes:

  • Coherencia cuántica: Los átomos en el condensado comparten el mismo estado cuántico y función de onda, lo que se conoce como coherencia cuántica.
  • Estado fundamental: El nivel de energía es mínimo y uniforme para todos los átomos, denominado estado fundamental.
  • Superátomo: Debido a la coherencia cuántica y el estado fundamental, el condensado se comporta como un superátomo, ya que la agrupación de átomos actúa como una entidad única.
  • Temperaturas extremadamente bajas: Este estado solo se logra a temperaturas cercanas al cero absoluto, es decir, alrededor de -273,15 °C o 0 K.
  • Capa fina por superfluidez: La superfluidez hace que los átomos se agrupen formando una capa fina.
  • Restricción a bosones: Solo bosones, como fotones, gluones o bosones, pueden experimentar el condensado de Bose-Einstein, ya que este estado requiere partículas con espín entero. No obstante, los fermiones pueden alcanzar este estado si están emparejados, como en el caso de los pares de Cooper.
Características de los condensados de Bose-Einstein - Cuáles son las características de los condensados de Bose-Einstein

Qué se espera conseguir del condensado de Bose-Einstein en el futuro

El futuro del condensado de Bose-Einstein promete abrir un fascinante campo en la física, donde el control de comportamientos cuánticos a escala macroscópica parece ser un terreno fértil para una amplia gama de aplicaciones innovadoras. Este avance podría conducir al desarrollo de interferometría atómica ultraprecisa, la creación de relojes atómicos mucho más estables que los actuales y la utilización de láseres de átomos para la confección de nanoestructuras con una precisión extraordinaria.

Recientemente, el grupo de investigación en Colorado ha demostrado la capacidad de generar fuerzas atómicas repulsivas y atractivas en 85Rb, lo que lleva a la disolución del condensado. Este logro abre la posibilidad de recrear condiciones extremas esenciales para entender procesos físicos que ocurren en el interior de estrellas enanas o incluso en las proximidades de agujeros negros.

Por otro lado, ha comenzado una carrera hacia la creación de gases de átomos fermiónicos cuánticamente degenerados, también a través de temperaturas ultrabajas. Aunque los fermiones tienen un comportamiento completamente distinto a los bosones, siguen siendo una fuente para la nueva frontera de la física que está surgiendo.

Esperamos haberte ayudado a comprender un poco mejor las características de los condensados de Bose-Einstein, aunque debemos reconocer que este es un tema tan complejo que muchas veces se escapa de nuestras posibilidades de comprensión. Si quieres seguir aprendiendo más acerca de la materia, no dudes en consultar nuestro apartado de Ciencias Naturales.

Características de los condensados de Bose-Einstein - Qué se espera conseguir del condensado de Bose-Einstein en el futuro

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Bibliografía
  • Hernández, A. A. B. Primer trabajo: Condensado de Bose-Einstein.
  • Toral, R. (2001). Nobel de Física: Condensado de Bose-Einstein.
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