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Sobre el quinto estado de agregación

Karina Maldonado Portillo
6/dic/2012

Un hindú de apellido Bose y un ahora famoso Einstein fueron los primeros que propusieron la existencia de un quinto estado de la materia. Después del líquido, sólido, gaseoso y el plasma no se había observado una forma distinta en que la materia pudiera “agregarse”, hasta que en 1995 los investigadores Eric Cornell, Wolfgang Ketterle y Carl Wieman lograron crear un nuevo estado de agregación, lo cual les valió el Premio Nobel de Física en 2001. El hallazgo fue denominado Condensado de Bose-Einstein (BEC), en honor a los primeros que lo sugirieron.

Rosario Paredes Gutiérrez, investigadora del IFUNAM, dedicó su ponencia al BEC titulada "Fluidos cuánticos: Condensación de Bose y la superfluidez en fermiones y bosones”, como parte del coloquio del Posgrado en Ciencias Físicas el pasado 8 de noviembre, en el cual explicó en qué consiste este estado de agregación y cuáles son sus principales características.

En su charla, Paredes definió al BEC como “un sistema o un conglomerado de muchas partículas, tal que éstas tienen mismos efectos cuánticos y muestran una estadística inherente al tipo de partícula que se esté tratando”. De esta forma, los átomos se comportan como si fueran un gran átomo, lo que resulta en una nueva forma en que la materia puede agruparse.

Los átomos están reunidos de diferentes maneras en cada estado: en el sólido, están acomodados en un volumen pequeño, comprimidos sin poder moverse pero siguiendo una estructura rígida; en el líquido, están en un espacio más grande en el que pueden desplazarse; mientras que en el gaseoso, los átomos tienen más espacio entre ellos.

En el plasma, que es lo que constituye al Sol y las estrellas, los átomos están separados en sus partículas individuales y núcleos, como es muy parecido a un gas, el plasma ocupa un gran espacio pero está conformado de elementos cargados eléctricamente.

En el Condensado de Bose-Einstein sucede que los átomos están en un mismo espacio pero con una característica distintiva: todos actúan como uno solo.


Distribución de los átomos en los 5 estados de agregación de la materia. Imagen: Universidad de Valencia.

Este estado únicamente se logra a temperaturas muy bajas, tal vez las más bajas que hasta ahora se hayan conseguido (cerca del cero absoluto). Paredes explica que para que los átomos lleguen a esa temperatura es necesario que los átomos mantengan fija la densidad y al mismo tiempo se vaya disminuyendo su temperatura. En pocas palabras que se mantengan juntos y fríos.

Para crear un BEC es necesaria una caja de cristal en la que se crea un vacío perfecto -que consiste en extraer todo el aire de la caja- para que los átomos se aíslen, no absorban calor y, con ello, disminuyan su temperatura. Después, se introduce una pequeña cantidad de gas rubidio puro, cuyas propiedaes (como las del cesio y el sodio) lo hacen enfriar más fácilmente.

Posteriormente, se procede al enfriamiento de la caja a través de luz láser o enfriamiento por evaporación mediante trampas magnéticas. Dentro de la caja se colocan las series de átomos de rubidio de tal forma que se entrecrucen entre ellos.

Rosario Paredes explica que en el caso del enfriamiento por luz láser, se hacen incidir seis haces –uno por cada cara de la caja- con la finalidad de que los átomos puedan absorber la radiación y al mismo tiempo sean capaces de emitir fotones.


Haces que inciden a los átomos para conseguir enfriarlos y producir un BEC. Imagen: NASA.

Luego suceden dos cosas paralelas: al mismo tiempo que los átomos emiten y absorben fotones, se va creando un efecto Doppler que hace que haya una variación de frecuencia de los fotones emitidos en función de si se alejan o se acercan. La misma densidad atómica, que los ‘junta’, obliga a los átomos a frenar y disminuir su energía cinética (de movimiento), lo que da como resultado final su enfriamiento.

En 1995 se observó por primera vez un condensado de Bose-Einstein a partir de un átomo de sodio, acontecimiento que ocurrió 70 años después de que los físicos lo predijeran en 1925. La doctora Paredes explica que el sodio se considera un bosón porque la suma “total de sus electrones, protones y neutrones es un número par”.

Paredes Gutiérrez afirmó que las investigaciones que recientemente fueron galardonadas con el Premio Nobel de Física 2012 también tienen relación con los condensados de Bose-Eisntein, ya que enfriar átomos también implica atraparlos en condiciones muy controladas dentro de una caja.

Por eso, dijo, el BEC es considerado “un laboratorio de la mecánica cuántica” que permite manipular átomos inmovilizados a temperaturas muy bajas.


Rosario Paredes en el coloquio del Posgrado en Ciencias Físicas, 8 de noviembre del 2012. Foto: Pedro Zaldívar Sánchez.