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Una Nueva Clase de Materia

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Una Nueva Clase de Materia

Los científicos han creado una nueva clase de materia: Viene en forma de ondas y sirve como puente entre el mundo que conocemos los humanos y el micro-dominio de la física cuántica.

NASA

Marzo 20, 2002:  No es muy usual que se esté presente durante el nacimiento de una nueva clase de materia, pero cuando así sucede, el entusiasmo es extraordinario. 

"Observar algo que nadie antes haya visto es emocionante y a la vez profundamente satisfactorio. Esos son los momentos en que uno desea ser un científico", dice Wolfgang Ketterle, un físico del MIT y uno de los primeros científicos en crear una nueva clase de materia llamada condensados de Bose-Einstein.

Derecha:  Los científicos ganadores del Premio Nobel usaron lásers y campos magnéticos para crear una nueva clase de materia. [Aprenda más acerca de este tema] Imagen © 2002 La Fundación Nobel (The Nobel Foundation).

Los condensados de Bose-Einstein ("BECs" por las siglas en inglés de Bose-Einstein Condensates) no son como los sólidos, los líquidos y los gases sobre los que aprendimos en la escuela. No son vaporosos, ni duros, ni fluidos. En verdad, no hay palabras exactas para describirlos porque vienen de otro mundo -- el mundo de la mecánica cuántica.

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La mecánica cuántica describe las extrañas reglas de la luz y la materia a escalas atómicas. En este mundo, la materia puede estar en dos lugares al mismo tiempo; los objetos se comportan a la vez como partículas y como ondas (una extraña dualidad descrita por la ecuación de onda de Schrodinger) y nada es seguro: el mundo cuántico funciona a base de probabilidades.

Aunque las reglas cuánticas parecen ir en contra de la intuición, son la base de la realidad macroscópica que experimentamos día a día. Los condensados de Bose-Einstein son objetos curiosos que unen la brecha entre ambos mundos. Obedecen la leyes de lo pequeño aun cuando se acercan a lo grande.

Abajo:  Los BECs se forman cuando los átomos en un gas sufren la transición de comportarse como las "bolas de billar voladoras" de la física clásica, a comportarse como una onda gigante de materia. Imagen cortesía del MIT.

ver leyendaUn BEC es un grupo de unos cuantos millones de átomos que se unen para formar una sola onda de materia de aproximadamente un milímetro de diámetro. En 1995, con apoyo parcial de la NASA, Ketterle creó BECs en su laboratorio, enfriando un gas hecho de átomos de sodio hasta una temperatura de unas cuantas milmillonésimas de grado arriba del cero absoluto -- ¡mil millones de veces más frío que el espacio interestelar! A tan bajas temperaturas los átomos se comportan más como ondas que como partículas. Unidos por rayos láser y trampas magnéticas, los átomos se superponen y forman una sola onda gigante (dentro de los estándares atómicos), de materia.

Dice Ketterle: "Las imágenes de los BECs pueden interpretarse como fotografías de las funciones de onda" -- es decir, soluciones a la ecuación de Schrodinger.

Trabajando independientemente en 1995, Eric Cornell (Instituto Nacional de Estándares y Tecnología ó National Institute of Standards & Technology) y Carl Weiman (Universidad de Colorado) crearon también algunos BECs; los de ellos estaban compuestos por átomos de rubidio superenfriado. Cornell y Weiman compartieron el Premio Nobel de Física 2001 con Ketterle "por lograr la condensación de Bose-Einstein en gases diluidos de átomos alcalinos, y por los primeros estudios fundamentales de las propiedades de los condensados."

Los condensados de Bose-Einstein fueron pronosticados por el físico hindú Satyendra Nath Bose y por Albert Einstein en el año de 1920 cuando la mecánica cuántica aún era algo nuevo. Einstein se preguntaba si los BECs serían tan extraños como para ser reales incluso cuando él mismo ya había pensado en ellos. En aquellos días era imposible averiguarlo; la tecnología para enfriar la materia vaporosa a temperaturas suficientemente bajas aún no existía.

Hoy en día sabemos que los condensados de Bose-Einstein son reales. Y Einstein estaba en lo correcto: son extraños.

Por ejemplo, hace notar Ketterle, si creamos dos BECs y los colocamos juntos, no se mezclan como gases ordinarios ni rebotan como lo harían dos sólidos. Donde los dos BECs se superponen, ellos "interfieren" como las ondas: delgadas capas paralelas de materia son separadas por capas delgadas de espacio vacío. El patrón se forma porque las dos ondas se suman donde sus crestas coinciden, y se cancelan donde una cresta se encuentra con un valle -- a lo cual llamamos interferencia "constructiva" y "destructiva" respectivamente. El efecto es similar al de dos ondas que se superponen cuando dos piedras son lanzadas a un lago.

Arriba:  Una imagen de los condensados de Bose-Einstein en superposición. Las sombras revelan un " patrón de interferencia" -- una señal inconfundible del comportamiento de las ondas. Imagen cortesía del MIT.

"Esto significa... que encontramos un efecto inverosímil: un átomo (en un BEC) más otro átomo (en otro BEC) no producen un nuevo átomo. Es interferencia destructiva", dice Ketterle. "Aunque por supuesto, no hemos destruido la materia, simplemente ha aparecido en otro lado dentro del patrón, de tal manera que el número de átomos se mantiene igual."

No todos los átomos pueden formar condensados de Bose-Einstein -- "solamente aquellos que contienen un número par de neutrones más protones más electrones", dice Ketterle. Ketterle formó sus BECs a partir de átomos de sodio. Si sumamos el número de neutrones, protones y electrones en un átomo ordinario de sodio, la respuesta es 34 -- un número par adecuado para la condensación de Bose-Einstein. Los átomos o isótopos de átomos con sumas impares no pueden formar BECs. Extraño, pero cierto.

Derecha: Wolfgang Ketterle, del MIT, quien fué laureado con el Premio Nobel 2001.

Uno de los aspectos más extraordinarios de los condensados de Bose-Einstein es que son entes cuánticos suficientemente grandes como para verlos a simple vista. Y de ahí que sean tan prometedores. Muchas de las tecnologías avanzadas de hoy en día -- chips de computadora más rápidos y más pequeños, sistemas micro electro mecánicos (ó MEMS por las siglas en inglés de Micro Electro Mechanic Systems) o las computadoras cuánticas -- se encuentran en la zona intermedia entre el mundo cuántico y el mundo macroscópico. Los científicos esperan que el estudio de los BECs contribuirá al avance de dichas tecnologías, además de llevar a la creación de otras nuevas.

Ketterle ya se encuentra experimentando con una de ellas: un láser de pulso atómico (pulsed atom-laser, en inglés).

"En un gas ordinario, los átomos se mueven en forma aleatoria, se dispersan en todas direcciones. Pero en un BEC, todos los átomos marchan al mismo paso", explica Ketterle. "Ellos son simplemente una sola onda de materia que se propaga en una dirección."

Los lásers atómicos se parecen a los lásers de luz; son rayos de fotones que de igual manera "marchan al mismo paso". Pero existen diferencias: Por ejemplo, los rayos de láser atómico tienen masa, de modo que se doblan hacia abajo en presencia del campo gravitacional de la Tierra. Los lásers de luz no tienen masa, se doblan también, pero el efecto es mínimo. Además, los lásers de luz atraviesan el aire fácilmente mientras que los lásers atómicos serán dispersos considerablemente por las moléculas de aire.

Arriba: Pulsos de láser atómico producidos en el laboratorio de Ketterle. La forma curvada de los pulsos fué causada por la gravedad y por las fuerzas entre los átomos. [más información]

"Los lásers atómicos necesitan de vacío para retener sus propiedades", anota Ketterle. Como resultado, no serán utilizados en la misma forma que los lásers de luz. No mejorarán los reproductores de discos compactos o los lectores de precios de los supermercados, por ejemplo. Pero los lásers atómicos sin duda encontrarán su propia aplicación -- como hacer mejores relojes atómicos [que mejorarán la navegación de las naves espaciales -- un beneficio para la NASA], óptica atómica o litografía muy fina", dice Ketterle.

Nadie sabe a dónde nos llevarán los BECs. Después de todo, los seres humanos evolucionaron en este planeta con sólidos, líquidos y gases a su alrededor, y aún estamos tratando de encontrar nuevas aplicaciones. Con los condensados de Bose-Einstein... aún estamos comenzando.

Nota del editor : Las investigaciones actuales de Ketterle son auspiciadas en parte por NASA y por otras Instituciones.

Enlaces a la Red

Una Nueva Clase de Materia -- una conferencia de Ketterle en Internet, presentando y explicando los condensados de Bose-Einstein. (Muy Recomendable).

Este trabajo fué apoyado en parte por la Oficina de Investigaciones Biológicas y Físicas (Office of Biological and Physical Research) de la NASA.

El Premio Nobel de Física 2001 -- otorgado a los científicos principales de los dos grupos que crearon por primera vez los condensados de Bose-Einstein.

Presentación ilustrada sobre los BECs -- del Museo Electrónico Nobel.

El grupo de Wolfgang Ketterle en el MIT -- Portal.

Preguntas y Respuestas sobre los BECs -- de la Universidad de Colorado.


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Créditos y Contactos

Autores: Karen Miller, Dr. Tony Phillips

Funcionario Responsable de NASA: John M. HorackEditor de Producción: Dr. Tony Phillips
Curador: Bryan Walls


Relaciones con los Medios: Steve Roy

Traducción al Español: Gonzalo Estavillo
Traducción de Gráficas: Boris G. Simmonds
Editor en Español: Héctor Medina
El Directorio de Ciencias del Centro Marshall para Vuelos Espaciales de la NASA patrocina el Portal de Internet de Science@NASA que incluye a Ciencia@NASA. La misión de Ciencia@NASA es ayudar al público a entender cuán emocionantes son las investigaciones que se realizan en la NASA y colaborar con los científicos en su labor de difusión.