Científicos de la UNAM obtienen condensado de Bose-Einstein

Por Armando Bonilla

Ciudad de México. 12 de noviembre de 2018 (Agencia Informativa Conacyt).- En el Laboratorio de Materia Ultrafría del Instituto de Física de la Universidad Nacional Autónoma de México (UNAM), un grupo de científicos logró bajar la temperatura de un gas a tan solo 20 mil millonésimas —0.00000002— por encima del cero absoluto — -273.15 °C —, es decir, produjeron el primer condensado de Bose-Einstein en México.

“No existe ningún lugar en el universo donde se alcancen temperaturas así de bajas a través de un proceso natural. De hecho, podemos afirmar que las temperaturas más bajas del universo están en el planeta Tierra en laboratorios como el nuestro; nosotros somos los primeros en México en aproximarnos tanto al cero absoluto y en nuestro laboratorio se encuentra la materia más fría en nuestro país”, dijo en entrevista el doctor en física Jorge Amin Seman Harutinian, responsable del proyecto.

El investigador, adscrito al Instituto de Física de la UNAM, explicó a la Agencia Informativa Conacyt que el objetivo de reducir hasta ese punto la temperatura de un gas es estudiar qué ocurre en la materia cuando la temperatura es tan baja y, como resultado, alcanza su nivel más bajo de energía posible.

En esta situación, los átomos que componen al gas poseen la mínima energía posible y, en consecuencia, todos comienzan a comportarse de manera idéntica. Esto da origen a fenómenos muy interesantes como es el caso de la superfluidez, en la que la viscosidad del gas desaparece y los átomos pueden fluir sin resistencia.

El camino hacia el cero absoluto

Para producir la materia más fría del universo, durante la noche del pasado 24 de octubre, el equipo de investigación superó una serie de retos tecnológicos y dominó diversas técnicas descritas en la literatura científica. El primer requerimiento fue que el objeto a enfriar no estuviera en contacto físico con ningún otro elemento para evitar la transmisión de energía entre ellos.

“Para satisfacer esa necesidad construimos un sistema de ultra-alto vacío; se trata de una cámara hecha de metal que cuenta con ventanas de vidrio que permiten observar lo que ocurre adentro. Esa cámara está conectada a potentes bombas de vacío que extraen por completo el aire de su interior para generar un ambiente totalmente limpio y aislado del exterior”.

Al interior de la cámara colocaron un segundo recipiente para contener el material a enfriar; en este caso, el experimento fue diseñado exclusivamente para enfriar gas de litio (Li) —metal alcalino y tercer elemento de la tabla periódica.

“Luego de construir la cámara y colocar el litio dentro del contenedor, el primer paso del experimento consistió en calentar ese pequeño recipiente para producir vapor, un vapor muy tenue para que no destruyera la condición de ultra-alto vacío. Una vez que obtuvimos el vapor compuesto por átomos de litio, lo aislamos en una región de la cámara, una fracción alejada de las paredes del contenedor para implementar las técnicas de enfriamiento”.

Aislar una fracción del gas, alejada de las paredes del contenedor, permite aplicar las técnicas de enfriamiento solo en aquellas moléculas que no están en contacto con otro objeto, en este caso con el propio contenedor.

“Para mantener la fracción aislada, implementamos campos magnéticos con electroimanes; creamos una especie de botella con campos magnéticos que nos permite contener millones de esos átomos alejados de las paredes del recipiente”.

La primera etapa de enfriamiento se realizó a través de luz láser, aprovechando la capacidad que existe entre la luz y la materia para intercambiar energía. Normalmente ese intercambio se da de la luz hacia la materia, es decir, la luz calienta la materia; no obstante, controlando las propiedades de la luz —color, polarización y potencia— es posible hacer que la energía fluya en sentido inverso para que la materia transfiera energía a la luz, derivando en un proceso de enfriamiento. Esa combinación de luz láser y campos magnéticos les permitió producir algo que se conoce como “trampa magneto-óptica”.

Trampa magneto-óptica de litio. El gas capturado en esta trampa es la mancha brillante que se aprecia en el centro de la imagen; se encuentra a una temperatura de 50 microkelvins, es decir, a una fracción de millonésimos de grado arriba del cero absoluto.

“A través de esta técnica, disminuimos la temperatura del gas del nivel ambiente a millonésimas arriba del cero absoluto. Pero como la condensación del Bose-Einstein ocurre a temperaturas mil veces más bajas, utilizamos una segunda técnica de enfriamiento que consistió en apagar la luz láser de esta trampa magneto-óptica mientras los átomos permanecen atrapados únicamente en la trampa magnética”.

Al permanecer dentro de la trampa —que asemeja un recipiente—, lo que ocurre es que los átomos con mayor energía —temperatura— escalan a las partes más altas, mientras que los más fríos se mantienen en la parte baja.

“El siguiente paso es reducir las dimensiones de la trampa, hacerla menos confinante para permitir que los átomos con más energía escapen de ella y quedarse gradualmente con los más fríos. Este proceso, reducir cada vez más el poder de confinamiento de la trampa, permite seleccionar a los más fríos en cada repetición hasta reducir la temperatura mil veces”.

Cuando el equipo logró remover la mayor cantidad posible de átomos calientes a través de ese proceso conocido como enfriamiento evaporativo, logró también llegar al condensado de Bose-Einstein. Ahora que cuentan con la tecnología y perfeccionaron la técnica, podrán replicar el experimento constantemente para obtener el condensado —uno nuevo cada 15 segundos— cuantas veces sea necesario y estudiarlo desde diferentes perspectivas.

Sistema experimental. En el centro de la imagen, se muestra la cámara de ultra-alto vacío en donde el condensado es producido. Arriba y abajo de esta se pueden apreciar (en color anaranjado) los electroimanes necesarios para producir los campos magnéicos durante el experimento.

Condensado de Bose-Einstein —los colores son falsos—. Imagen tomada utilizando una cámara CCD muy sensible; los átomos se encuentran en la región roja-verde. La gráfica que se observa corresponde a la densidad del gas como función de la posición.

¿Por qué es importante llevar a esos niveles la temperatura?

El Laboratorio de Materia Ultrafría del IF UNAM forma parte del Laboratorio Nacional de Materia Cuántica (Lanmac) que fue creado en el contexto del Proyecto de Laboratorios Nacionales del Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología (Conacyt). El Lanmac está integrado por 11 laboratorios distribuidos en varias universidades de todo el país, en donde se hacen esfuerzos importantes para producir, manipular y entender diferentes sistemas cuánticos compuestos por luz y materia.

Una vez que se logran temperaturas tan bajas, cada átomo que compone el sistema cuenta con la mínima energía posible y gracias a que todos tienen la misma energía, muy cercana al cero absoluto, se comportan de manera idéntica. Esto tiene como consecuencia que las propiedades cuánticas de los átomos se manifiesten a escala macroscópica.

Una de las consecuencias más impactantes de la condensación de Bose-Einstein es el fenómeno de la superfluidez, en donde la viscosidad del gas desaparece y los átomos pueden fluir sin ninguna resistencia. Es como si los átomos se pusieran de acuerdo y se movieran de manera coherente, sin estorbarse.

“Efectivamente, es el entendimiento del fenómeno de la superfluidez uno de los principales objetivos del laboratorio. Específicamente, se buscará producir turbulencia en el superfluido y entender cómo es que la mecánica cuántica restringe y afecta al flujo turbulento. La turbulencia, en general, es un importante problema de la física que se encuentra aún abierto y consideramos que nuestro laboratorio podrá hacer contribuciones fundamentales en el entendimiento de este fenómeno”.

Condensado de Bose-Einstein En las temperaturas más cercanas al cero absoluto, la materia sufre un cambio de estado conocido como condensado de Bose-Einstein, el cual fue propuesto teóricamente por Satyendra Nath Bose y Albert Einstein en la década de 1920. Pasaron 70 años hasta que en 1995, Eric Cornell y Carl Wieman lograron alcanzar esas temperaturas por primera vez; de igual forma, ese mismo año pero de manera independiente, Wolfgang Ketterle logró también un condensado Bose-Einstein.

 

El equipo de investigación • Dr. Jackson Poveda (investigador Cátedra CONACyT) • Ricardo Colín (investigador post-doctoral) • Manuel Mendoza (Estudiante-Doctorado) • Eduardo Padilla (Estudiante-Maestría) • Diego Hernández (Estudiante-Licenciatura) • Andrés Gutiérrez (Estudiante-Licenciatura) • Dra. Rocío Jáuregui (directora del Laboratorio Nacional de Materia Cuántica) • Dr. Manuel Torres (director del Instituto de Física de la UNAM) Colaboradores cercanos: • Dr. Daniel Sahagún • Dr. Giacomo Roati (Istituto Nazionale di Ottica- Consiglio Nazionale delle Ricerche, INO-CNR, Florencia, Italia). • Dr. Víctor Romero • Dr. Rosario Paredes • Dr. Asaf Paris Mandoki • Mtro. Rodrigo Gutiérrez • Mtro. Carlos Gardea  Instituciones involucradas • Instituto de Física de la UNAM • Universidad Nacional Autónoma de México a través de la Coordinación de la Investigación Científica (CIC-UNAM) y de la Dirección General de Asuntos del Personal Académico (DGAPA-UNAM). • Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología (Conacyt) Otras Instituciones que también apoyaron el proyecto: • Centro Latinoamericano de Física • Secretaría de Ciencia y Tecnología de la Ciudad de México (SeCiTi)

 

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