Farándula

La NASA logra generar el quinto estado de la materia en el espacio


Se estima que alrededor de un 68% del universo est formado por energa oscura y que otro 27% corresponde a materia oscura. Eso significa que la naturaleza de la mayor parte de la masa del cosmos contina siendo un misterio. Despejar esas incgnitas requiere avanzar en el desarrollo de los modelos de la fsica y mejorar la precisin de los instrumentos con los que se observan algunos de los fenmenos fundamentales.

Por eso, cientficos de la NASA han puesto a prueba su Laboratorio de tomos Fros (CAL) a bordo de la Estacin Espacial Internacional (ISS), con el que han conseguido generar el quinto estado de la materia, llamado condensado de Bose-Einstein. Los detalles del experimento se describen este jueves en la revista Nature.

El condensado de Bose-Einstein se encuentra a medio camino entre el mundo microscpico, en el que rigen las reglas de la mecnica cuntica, y el macroscpico, en el que se aplican las de la fsica clsica. Este estado de la materia se forma cuando un gas de bosones (en este caso, tomos de rubidio) se enfra hasta llevarlo a cerca de 0 Kelvin (-273C, o cero absoluto), la temperatura ms baja posible.

“Este estado slo se obtiene a las temperaturas ms bajas y en las densidades ms altas”, explica Jim Kohel, uno de los coautores del trabajo. “Entonces, el conjunto de tomos, que se pueden ver con una cmara, se comporta como una partcula individual. Se podra describir como tomos actuando de forma colectiva, como una onda“.

Experimentos de este tipo proporcionan a los cientficos una oportunidad nica para estudiar propiedades fundamentales de la mecnica cuntica. El problema es que, en la Tierra, cualquier anlisis de precisin sobre este estado de la materia se ve obstaculizado por la propia atraccin gravitatoria del planeta.

Para superar esta limitacin, el equipo de Laboratorio de Propulsin a Reaccin de la NASA (JPL por sus siglas en ingls) decidi embarcar su instrumental en la ISS. “El objetivo es proporcionar a la humanidad uno de los instrumentos ms sensibles jams construidos”, explica Robert Shortwell, responsable del proyecto.

Cada libre

Porque en la microgravedad de la estacin (que se encuentra en estado de cada libre perpetua) el laboratorio es capaz de generar un condensado de Bose-Einstein, confinarlo en una trampa de tomos poco profunda y observarlo durante periodos mucho ms largos que en tierra antes de que se disperse.

El Cold Atom Lab, a punto de ser empaquetado para viajar al espacio.
El Cold Atom Lab, a punto de ser empaquetado para viajar al espacio.

Segn los autores, las ventajas que proporcionan estas condiciones permitirn, adems, crear condensados mucho ms fros de los que se han logrado hasta ahora, ya que la expansin de los tomos fuera de su contenedor provoca temperaturas ms bajas, en las que los efectos cunticos exticos se hacen cada vez ms prominentes.

“Una de las cosas que nos permite enfriar los tomos ms all del punto en el que se produce la condensacin Bose-Einstein es que podemos debilitar la trampa”, explica Robert Thompson, uno de los investigadores del proyecto. “Eso permite que la nube atmica se expanda y, a medida que se expande, se enfra. Es algo similar a lo que sucede cuando se utiliza una lata de aerosol, ya que al rociar el gas de su interior se expande, enfriando la lata”. De momento, se ha logrado alcanzar una temperatura de una diezmillonsima de grado por encima de cero absoluto, convirtindolo en el objeto ms fro -que se conozca- en el espacio (en la Tierra el rcord lo consigui el MIT).

Las posibles aplicaciones van desde la bsqueda de energa oscura y ondas gravitacionales hasta la navegacin espacial o la prospeccin de minerales del subsuelo de cuerpos planetarios, adems de verificaciones en la Teora de la Relatividad General.

“Pero una de las implicaciones ms importantes es que tal vez tenemos un nuevo paradigma sobre cmo se hace la fsica“, seala Thompson. “Hasta ahora nuestra comprensin sobre el funcionamiento interno de la naturaleza ha venido de los aceleradores de partculas y de observatorios astronmicos, pero en el futuro creo que las mediciones de precisin con tomos fros van a jugar un papel cada vez ms importante”.

Un siglo de investigacin

En 1924 el joven fsico indio Satyendranath Bose escribi una carta a Albert Einstein. “Respetado seor, me he atrevido a enviarle el artculo adjunto. Estoy ansioso por saber qu opina de l”. El artculo en cuestin, que ya haba sido rechazado por una revista cientfica, sostena que cualquier objeto emite cierta luz y que esa luminosidad depende de su temperatura. Describa, adems, ciertas reglas para determinar si dos fotones deberan considerarse idnticos o diferentes. Einstein comprendi inmediatamente su importancia, lo tradujo personalmente al alemn y recomend su publicacin a la revista Zeitschrift fr Physik.

El Cold Atom Lab, a punto de cargarse en una nave Cygnus.
El Cold Atom Lab, a punto de cargarse en una nave Cygnus.

Una de las implicaciones era que, por debajo de una cierta temperatura, este tipo de partculas, que se llamarn bosones en memoria del cientfico indio, tienden a adoptar un mismo estado microscpico: el condensado de Bose-Einstein. Este quinto estado de la materia pas de la teora a la realidad 70 aos despus, cuando Carl Wieman y Eric Cornell consiguieron generarlo en el laboratorio de la Universidad de Colorado en Boulder, hito que les vali el Nobel de Fsica en 2001.

Enfriar las nubes de tomos a temperaturas tan bajas requiere suspenderlos usando imanes o lseres pero, una vez que estos se apagan para realizar las observaciones, los condensados caen y se disipan. “Queremos estudiar los tomos y observarlos durante periodos de tiempo ms largos”, declara Thompson, “y eso slo es posible en microgravedad”.

Para que pueda embarcar a bordo de la ISS, sus creadores han tenido que adaptar el instrumental a los estrictos requisitos de masa, volumen y consumo de energa de la estacin, al mismo tiempo que lograban un diseo lo suficientemente robusto como para funcionar durante aos sin necesidad de mantenimiento.

“Normalmente, los experimentos con el condensado de Bose-Einstein implican equipamiento suficiente para llenar una habitacin y requieren una monitorizacin casi constante por parte de los cientficos”, afirma Shotwell. “Mientras que CAL es aproximadamente del tamao de una nevera pequea y puede ser operado de manera remota desde la Tierra”.

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