El Frio absoluto
El lugar más helado del mundo no está en el Polo Sur, sino en un laboratorio. Ahí los físicos se han acercado al límite de lo que llaman el cero absoluto, es decir -273.15 °C. En este descenso de la temperatura la naturaleza se comporta de modo sorprendente y revela sus secretos más íntimos.
E 12 de julio de 1983 se registro en el planeta la tempe-ratura natural más baja de la historia: -89.2 C; el lugar fue la base Vostok, una estación rusa localizada a 3,488 metros altura en una de las partes más ele-de la Antártida. Hasta hoy, éste lugar natural más frío de la Tierra onde la temperatura media anual es alrededor de -61 °C. Sin embargo, no es el mayor frío que se ha registrado en nuestro planeta. La marca pertenece al físico Wolfgang Ketterle, quien en su laboratorio del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT por sus siglas en inglés) logró hacer que un trozo de materia alcanzara los 272.5 “C bajo cero. “Fue aquí, en este refrigerador de átomos. Este es el lugar donde logramos las temperaturas más bajas que se han generado hasta el momento”, comenta. El artefacto es una pequeña caja negra envuelta en papel de aluminio y rodeada por decenas de cables de todos colores; en su interior se forma un espacio oscuro y reducido, lleno de hilos de alta tensión, imanes, espejos, tubos de vacío, generadores de rayos láser y otros dispositivos.
Más frío que el hielo
Esas temperaturas de las que habla Ketterle no son los -89.2 °C del Polo Sur, ni los -227 °C de la superficie de la Luna durante la noche. Ni siquiera son las de las profundidades del espacio interestelar, donde el termómetro lee -270.5 °C. Porque los números a los que Ketterle se refiere son el último récord de la física del superfrío, a décimas del cero absoluto. En su laboratorio estudia la materia a unas temperaturas tan bajas que hacen a los átomos -y hasta a la luz- comportarse de forma estrambótica. Por ejemplo, a -262 °C desaparece la resistencia eléctrica de algunos materiales y se produce el fenómeno conocido como superconductividad. A temperaturas aún menores algunos gases se convierten en líquidos y son capaces de atravesar las paredes de un recipiente de cristal y parecen desafiar la gravedad remontándose hacia arriba por sí solos. Otros actúan como ondas en lugar de átomos.
La manipulación de estos extravagantes comportamientos tendrá aplicaciones tecnológicas en nuestras vidas cotidianas. Por ejemplo, producirá avances en computación cuántica porque permitirá el flujo de cantidades ilimitadas de información a velocidades sorprendentes; la fabricación de materiales aún insospechados y el ‘Santo Grial’ de la Física: la creación de superconductores que funcionen a temperatura ambiente. Para Ketterle y su equipo, el descenso a las cercanías del cero absoluto les hizo descubrir una nueva forma de materia: el condensado de Bose-Einstein (BEC por sus siglas en inglés), predicho por Albert Einstein y por Satyendranath Bose en la década de 1920. Por este logro Ketterle, junto con Eric A. Cornell y Cari E. Wieman, de la Universidad de Colorado, recibieron el Nobel de Física en 2001.
El cero absoluto se define como -273.15 °C o, lo que es lo mismo, 0 kelvin (0 K). Puesto que la temperatura es una medida de la velocidad de los átomos, en el cero absoluto éstos casi ni se mueven. A temperatura ambiente los átomos de un fluido se desplazan a 500 metros por segundo, pero cerca de los 0 K su velocidad disminuye a unos 20 centímetros por segundo. Esto es suficiente para observar detalles de su estructura interna que no son visibles de otra manera. Los expertos coinciden en que aún no es técnicamente posible -ni necesario- llegar a temperaturas tan extremas, aunque hay algunos, como Ketterle, que han vislumbrado el límite teórico. Su laboratorio tiene el récord de gelidez, fijado en 2003: unos insignificantes 450 picokelvin -o mil-millonésimas de kelvin- por encima del cero absoluto. La hazaña inicial, con temperaturas algo superiores al nuevo récord, se llevó a cabo en 1995 con una diminuta nube de moléculas de sodio atrapadas dentro de una pared de imanes que dio lugar al primer BEC. Desde entonces los BEC se producen de forma rutinaria en varios laboratorios de investigación del mundo.
Para acercarse al cero absoluto, Ketterle recurre al empleo de sodio, litio y rubidio, cuyas propiedades permiten crear diferentes formas de materia en el ultrafrío. “Aquí tenemos láseres que irradian a los átomos desde seis direcciones a la vez. Normalmente asociamos láser con calor, pero si se sintoniza un haz a la frecuencia de un átomo, es capaz de enfriarlo y hacer que se detenga. Esta trampa se llama enfriamiento por láser, pero por sí sola no da lugar a las temperaturas mínimas. Para ello añadimos el enfriamiento por evaporación. Se puede entender de la siguiente forma: en una taza de café humeante, el vapor que sale por el borde está compuesto por las moléculas más calientes del café, que se llevan con ellas gran parte de la energía. Nosotros ponemos los átomos dentro de una especie de taza magnética y los confinamos ahí, de manera que sólo los más calientes tienen la energía suficiente para escapar por el borde, mientras que los fríos se congregan en el fondo. A medida que eso sucede hacemos descender gradualmente los límites de la taza magnética y los átomos tibios siguen escapando hasta que sólo quedan los más fríos y densos: ese es el condensado de Bose-Einstein.”
El físico del MIT explica que este estado cuántico de mínima energía es fascinante porque da coherencia a los átomos. Y ésta es una propiedad bastante útil cuando uno quiere entender las propiedades básicas de la materia. “Se parece a lo que ocurre en un juego de fútbol. En el estadio todos gritan al mismo tiempo y el nivel de ruido incoherente es muy alto y poco entendible. Pero cuando los seguidores de un solo equipo exclaman simultáneamente “¡gol!”, el sonido es alto, claro y reconocible, porque es coherente”, ejemplifica Ketterle. De modo similar, cuando se tienen átomos atrapados en el ultra-frío, no sólo es posible verlos en cámara lenta, sino analizarlos y obtener de ellos una explicación clara. Es mucho mejor que trabajar con partículas que van cada una por su lado. En esto se basa la superconductividad.
Luz estática
La física danesa Lene Vestergaard Hau, lleva a cabo otro interesante trabajo en su laboratorio de la Universidad de Harvard, Estados Unidos. Coloca láseres de colores que zigzaguean entre una máquina de instrumentos ópticos. Están dispuestos sobre una plataforma del tamaño de una mesa de billar y rebotan en un laberinto de espejitos redondos colocados sobre bases de acero. Los rayos penetran en una cámara de vacío e irrumpen en un BEC y entonces sucede la magia. Porque en 2001 Hau logró algo que todo el mundo creía imposible: detener la luz.
La velocidad constante de ésta en el vacío es de 300,000 km/seg, y se sabe que en el mundo material las reglas del juego cambian: la luz se dobla y se retarda al pasar por el agua o el cristal. Pero eso no es nada comparado con lo que hace Hau en el vacío: cuando ella ilumina una nube de átomos de BEC con un rayo láser, es como si bateara una pelota de béisbol contra una almohada. “Al principio ralentizamos la luz a la velocidad de una bicicleta: a 20 km/h”, explica Hau con satisfacción. “Ahora podemos hacerla viajar en cámara lenta y hasta detenerla por completo, mientras la mantenemos embotellada dentro del BEC para estudiarla. Cuando estamos listos, dejamos que siga su camino.” Para la investigadora, lo más favorable es que el pulso de láser tiene un kilómetro de largo al comienzo de su recorrido, y cuando entra en la cámara de vacío, donde está el ul-trafrío condensado, se comprime hasta medir 0.1 mm, la mitad del grosor de un cabello. Eso significa que, cuando detenemos el pulso luminoso, cabe dentro de nuestra nube de átomos. Sin embargo, lo más sorprendente es que Hau ha logrado detener la luz dentro de un primer condensado BEC, convertirla en energía eléctrica, transferirla a un segundo condensado y dejar que se propague. “Cuando la luz entra en el primer BEC cambia el estado interno de energía en sus átomos y deja plasmado un pequeño holograma en el frío interior. Después de este proceso podemos tomar ese holograma, hacer que salga del primer condensado y obligarlo a entrar en el segundo.”
Magia helada
La física extingue un pulso lumínico en | una parte del espacio y lo revive en otra parte diferente. La importancia de esto es que ha logrado convertir la luz en materia que se deja manipular, copiar, esculpir y moldear, como si fuera arcilla, y luego volver a ser luz. “Podemos tomar esos átomos de material que son copia de los fotones y manipularlos de mil maneras. Cualquier cambio que les hagamos permanecerá en ellos, y cuando el rayo láser continúe su camino, retendrá lo que le hicimos mientras era prisionero del frío”, detalla. Esto tiene profundas implicaciones en el envío de grandes | cantidades de información a velocida- | des astronómicas mediante fibras ópti- : cas. “En computación cuántica, lo más rápido y eficiente es enviar información codificada a través de la luz. En otras palabras, el secreto que hay detrás de las computadoras cuánticas es que pueden convertir luz en materia, guardarla y procesarla, para luego transformarla de nuevo en luz y hacerla pasar por otro cable de fibra óptica de manera que se preserve toda la información”, dice Hau.
Por su parte, Ketterle está dejando atrás los condensados de Bose-Einstein para perseguir su nuevo objetivo: los fermiones. A diferencia de los átomos bosónicos de los BEC, que tienen un número par de protones, neutrones y electrones, en los átomos fermiónicos el número es impar. Además, mientras que los bosones son sociables, los fermiones son solitarios. Las diferencias en su comportamiento podrían dar lugar al descubrimiento del siglo: superconductores a temperatura ambiente. Estos materiales tendrían aplicaciones insospechadas, desde la distribución de electricidad en una ciudad hasta el desarrollo de mejores equipos de resonancia magnética y avances alucinantes en el transporte.
Hace veinte años se descubrió una nueva clase de materiales, llamados superconductores de alta temperatura, que requerían menos frío que los usados hasta el momento. Fue un paso revolucionario de la física y desde entonces el mundo espera el siguiente en este sentido. Perdura la confianza de que las investigaciones con fermiones ultra fríos permitan saber 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.
“Por esto el enfoque actual de mi laboratorio es averiguar cómo los átomos fermiónicos pueden producir superconductividad, es decir, conducir electricidad sin disipar energía. En nuestros experimentos tratamos de entender cómo se forman parejas de fermiones, porque esa es la clave de los superconductores. Si comparamos esta alianza con un baile, la gran pregunta es: ¿existen movimientos exóticos que produzcan una superconductividad más fuerte? Lo que hacemos es alterar la intensidad del frío y la fuerza de los imanes para cambiar el ritmo y ver cómo se mueven dentro del BEC. ¿Ve lo fácil que es explicar la física moderna?”, puntualiza Ketterle.
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