El condensado de Bose-Einstein, conocido como el quinto estado de la materia, ha sido exitosamente creado en el espacio gracias al Cold Atom Laboratory de la NASA en la Estación Espacial Internacional (ISS). Este hito científico se ha alcanzado tras años de investigación y desarrollo.
El experimento innovador en la Estación Espacial Internacional
Cold Atom Laboratory de la NASA: un hito científico
La instalación Cold Atom Laboratory que la NASA tiene en la Estación Espacial Internacional ha permitido conseguir este hito: crear el quinto estado de la materia. Ha sido un viaje de casi dos años, tras ese primer hito anunciado en julio de 2018 cuando la NASA creó el lugar más frío en el espacio, en la ISS, en órbita alrededor de la Tierra.
Gracias a la ingravidez
La falta de gravedad, este laboratorio está perfectamente diseñado para crear el condensado de Bose-Einstein y hacer que estos estados sean de larga duración. Y lo han conseguido. La NASA ha anunciado que se han conseguido fabricar los primeros condensados de Bose-Einstein en el espacio.
Entendiendo el condensado de Bose-Einstein
¿Qué es un condensado de Bose-Einstein?
El condensado de Bose-Einstein (BEC) se considera el quinto estado de la materia después de los estados de: plasma, sólido, líquido y gas.
Características del quinto estado de la materia
Un condensado de Bose-Einstein ocurre cuando ciertos tipos de átomos se enfrían a temperaturas tan bajas que adquieren un estado unificado, una nube súper fría. "Es como si se unieran y se comportaran como un objeto armonioso", aclara el físico David Aveline del Laboratorio de Propulsión a Chorro de la NASA en Pasadena, California.
Fenómenos cuánticos macroscópicos
Se trata de un estado peculiar donde los fenómenos de la mecánica cuántica, que generalmente son microscópicos, se vuelven macroscópicos.
La capacidad de estudiar este extraño estado de la materia en órbita ayudará a los científicos a comprender la física fundamental, así como a hacer posibles mediciones cuánticas nuevas y más sensibles, tal y como comenta Lisa Wörner del Instituto de Tecnologías Cuánticas del Centro Aeroespacial Alemán en Bremen. "No puedo exagerar la importancia de este experimento para la comunidad".
La física detrás del quinto estado de la materia
Proceso de formación: enfriamiento al cero absoluto
Con el condensado de Bose-Einstein, hay que actuar rápido: la fuerza repulsiva natural entre los átomos hace que la nube súper fría se expanda y se disipe. De ahí la ventaja de estar en ingravidez. Este proceso llevado a cabo en el espacio permite que el condensado alcance temperaturas más bajas que las que son posibles con los mismos métodos en la Tierra. En el Cold Atom Lab, los átomos de rubidio alcanzaron décimas de billonésimas de kelvins (alrededor de 100 nanoKelvin) por encima del cero absoluto (-273 ºC).
Evaporación de partículas energéticas
Los condesados se crean en trampas magnéticas donde los átomos permanecen y la radiación de radiofrecuencia se usa para 'evaporar' las partículas más energéticas, dejando atrás las frías y lentas para formar el condensado.
Expansión libre en microgravedad
Cuando esto ocurre, la trampa se apaga para que los científicos puedan seguir la evolución del condensado de Bose-Einstein. Durante este tiempo, se dice que el condensado se encuentra en expansión libre, que es una de las ventajas de hacer este experimento en microgravedad. En la Tierra, los experimentos duran decenas de milisegundos debido a la gravedad pero dentro de la ISS, la expansión libre va más allá de un segundo, lo que permite una mayor precisión en las mediciones.
Impacto y aplicaciones futuras del BEC
Récord de temperatura más baja en el laboratorio
Así que los condensados de Bose-Einstein ya son los poseedores del récord de la temperatura más baja conocida. Los científicos esperan que, con una mejora adicional en las técnicas de enfriamiento, pueda lograrse aún más frío, con temperaturas inferiores a las conocidas en todo el universo.
"Estos experimentos conforman el comienzo de muchos años de operaciones científicas potenciales, con capacidades adicionales del instrumento que se utilizarán con el tiempo", explican los autores en la revista Nature, que recoge el estudio.
Potencial para temperaturas aún más bajas
La viabilidad de producir condensados de Bose-Einstein más fríos y duraderos también significa que podemos comenzar a pensar en otras formas de estudiarlos.
Aplicaciones en tecnologías de teledetección
Los estados condensados de Bose-Einstein podrían usarse en una serie de tecnologías de teledetección en satélites, entre otras cosas, por lo que existe un gran interés en cómo cambian sus propiedades en el espacio.
Próximas investigaciones científicas en órbita
El éxito en la creación del condensado de Bose-Einstein en el espacio marca el comienzo de una nueva era de investigación científica en órbita. Las próximas investigaciones en órbita podrían incluir estudios sobre la interacción de partículas cuánticas, la exploración de nuevos estados de la materia y el desarrollo de tecnologías avanzadas basadas en la física cuántica.
Referencias
- David C. Aveline et al. Observation of Bose–Einstein condensates in an Earth-orbiting research lab, Nature (2020). DOI: 10.1038/s41586-020-2346-1.
- Maike D. Lachmann et al. Quantum matter orbits Earth, Nature (2020). DOI: 10.1038/d41586-020-01653-6
