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10 de octubre de 2001 El Nobel de física
para los hacedores de un nuevo Dos norteamericanos y un alemán premiados por concretar una predicción teórica de los años ‘20.
En 1924 Albert Einstein recibió unos trabajos de su colega, el físico indio Satyendranath Bose, con una serie de cálculos estadísticos teóricos sobre partículas elementales. Einstein, comprendiendo la importancia de estos trabajos, los llevó más lejos aún y predijo un nuevo estado de la materia que hoy es conocido como Condensado Bose-Einstein. Pero debieron transcurrir casi setenta años para que los condensados Bose-Einstein fueran una realidad de laboratorio. En 1995, Cornell (de 39 años) y Wieman (43 años), ambos del National Institute of Standards Technology y de la Universidad de Colorado, lo lograron por primera vez. Cuatro meses más tarde le tocó el turno a Ketterle (50 años), del Massachussetts Institute of Technology, que compensó su demora obteniendo un condensado con una una mayor cantidad de átomos que sus predecesores. Para lograr el condensado Einstein-Bose, los científicos tuvieron que alcanzar temperaturas superbajas en sus experimentos. De hecho batieron todos los records de frío, con 20 milmillonésimas de grado por encima del cero absoluto (273 grados centígrado bajo cero), lo que sería 'presumiblemente la temperatura más baja del universo', según destaca el Instituto Americano de Física. En esa
situación extrema de ultrafrío, los átomos se coordinan como si fueran uno solo. Del rubidio al sodio Si bien llegó con cuatro meses de atraso, Ketterle alcanzó un condensado de átomos de sodio cien veces más grande, que el logrado con átomos de rubidio por Cornell y Wieman, lo que le permitió iniciar una serie de deslumbrantes experimentos que por un tiempo llegaron a eclipsar la producción sus colegas de Colorado. Ketterle observó la interferencia ondulatoria entre condensados independientes y obtuvo el primer láser de átomos, que es a un haz normal de átomos lo que la luz de láser es a la luz ordinaria. Ketterle se formó en Alemania en física de la combustión pero en 1990, con treinta y tres años y una familia de tres hijos, tomó la audaz decisión de cambiar de campo e irse como postdoc al grupo de Pritchard en el MIT, iniciando una meteórica carrera. La condensación de Bose-Einstein se va perfilando como un nuevo campo de la Física donde el control del comportamiento cuántico de la materia a escala macroscópica abre un inmenso abanico de aplicaciones tales como el desarrollo de interferometría atómica ultraprecisa, la obtención de relojes atómicos mucho más estables que los actuales, y el empleo de láseres de átomos para diseñar nanoestructuras con extraordinaria precisión. La historia En 1924, el físico indio Satyendra Nath Bose, de la Universidad de Dacca, envió a Einstein un trabajo en el que estudiaba desde el punto de vista estadístico las propiedades de las partículas que no verificaban el Principio de Exclusión de Pauli (hoy, en su honor, a esa familia de partículas se las llaman bosones). De esta forma las partículas quedan caracterizadas en dos grupos: los Bosones y los Fermiones, que si respetan el Principio de Exclusión. Los fermiones son poco sociables y nunca dos de ellos pueden ocupar el mismo estado de movimiento. Por el contrario, los bosones son gregarios y sus leyes estadísticas tienden a favorecer la ocupación múltiple de un mismo estado cuántico. A temperaturas altas, la diferencia entre ambos tipos de conducta social es apenas perceptible. Pero cuando la temperatura desciende, tal como lo predijo Einstein, todas las partículas buscan los estados de más baja energía. Una herramienta para
nuevos estudios. En esta situación, los átomos ya no se comportan como partículas sino que manifiestan sorprendentes propiedades ondulatorias, tal como se los permite la mecánica cuántica. Estas nubes de gas enfriado, llamadas "condensados de Bose-Einstein" en honor a Einstein y Bose que los predijeron en 1925, se comportan como fuentes de "ondas coherentes de materia". Los experimentos que Wieman, Cornell y Keterlee realizaron desde 1995 hasta la fecha demuestran todas las predicciones de la mecánica cuántica. Por ejemplo, producir un condensado de átomos de sodio, para luego dividirlo en dos porciones y observar, luego de recombinar estas dos partes, la interferencia entre las ondas de materia que provienen de cada una de ellas. Desde su aparición en 1995, los condensados de Bose-Einstein han sido estudiados experimentalmente en decenas de laboratorios en el mundo (vale la pena aclarar que, pese a que el equipamiento necesario no es exageradamente caro, en Latinoamérica tan sólo hay laboratorios con capacidad de reproducir estas experiencias en San Pablo y Río de Janeiro). La utilidad potencial de estos avances es múltiple: la que ha generado mayor interés es la creación de una fuente coherente de ondas de materia: un láser de átomos que podría tener numerosas aplicaciones. Pero los
condensados pueden también ser usados como laboratorios de prueba para estudiar efectos
físicos cuyo interés proviene de otras áreas. Notablemente, manipulando las propiedades
de los átomos que forman el condensado se pueden aumentar o disminuir las interacciones
entre ellos, generar remolinos u ondas de presión y reproducir en ellos condiciones
extremas que podrían permitir comprender algunos procesos físicos que tienen lugar en el
interior de estrellas enanas o, incluso, en la vecindad de agujeros negros. En definitiva,
los condensados de Bose-Einstein se han convertido hoy en una herramienta maravillosa para
estudiar nuevos fenómenos físicos de interés para muchas áreas.
Pregunta: ¿Qué es un Condensado Bose-Einstein? Respuesta: Los átomos, como todas las partículas, son también
ondas. Están moviéndose continuamente, y cuanto más lento se mueven su longitud de onda
es mayor . Cuando se enfría un gas, la longitud de onda de sus átomos se alarga más y
más, hasta el punto de que las ondas empiezan a superponerse. En ese momento se produce
el condensado de Bose-Einstein: la materia está en un nuevo estado en el que todos los
átomos oscilan de forma coordinada, formando una única onda. P. ¿Cuánto hay que enfriar los átomos? R. A milmillonésimas de grado por encima del cero absoluto, -273 grados centígrados. Son las temperaturas más bajas jamás alcanzadas. P. ¿Por qué hay un cero absoluto de temperatura? R. La temperatura es sólo una forma de medir la cantidad de energía de un sistema. Si sacas toda la energía de un sistema llegas al cero de temperatura, aunque eso es inalcanzable. Las dificultades técnicas nos impiden llegar al cero absoluto. P. ¿Cómo se consiguen temperaturas tan bajas? R. Hemos tenido que desarrollar métodos específicos de
enfriamiento, y de hecho ése ha sido uno de los principales desafíos de este campo. Se
parte de átomos a temperatura ambiente y se enfrían con láseres y técnicas de
evaporación. También necesitas una forma de confinar ese gas, que debe estar aislado en
cámaras de vacío... Para obtenerlo desarrollamos más tecnología nueva de la que nadie
imaginó. P. ¿Qué pasa en la materia cuando se enfría tanto? R. Hay dos propiedades nuevas. Una es que los átomos están congelados, todo lo quieto que permiten las leyes de la mecánica cuántica. Eso hace que la interacción entre ellos sea muy débil, y se ve por ejemplo cómo les afecta la gravedad: se caen como si fueran una roca, algo que no solemos ver a escala atómica. Pero siguen siendo un gas, y éso es lo que los hace tan fascinantes. Se comportan como sólidos, pero no lo son. La segunda propiedad es que los átomos son coherentes, forman una única onda, igual que la luz en los láseres. P. ¿Tiene aplicaciones el condensado de Bose-Einstein? R. El principal beneficio es indirecto: si entendemos este nuevo estado de la materia entenderemos mejor cómo funciona toda la materia. Más en concreto... bueno, los átomos ultrafríos podrían servir para mediciones muy precisas. En el fondo esto va de manipular átomos, y ahora tenemos un control sin precendentes sobre el movimiento y la posición de los átomos. Es como los láseres: los átomos en el condensado de Bose-Einstein son a los normales lo mismo que el láser a la luz ordinaria. Y mira las múltiples aplicaciones de los láseres hoy.
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