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Producen estado ultrafrío de la materia por primera vez en AL

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 Martes, Noviembre 13, 2018

El condensado de Bose-Einstein se logra a una temperatura ultrafría, y permite estudiar propiedades cuánticas a escala macroscópica, explicó Jorge Amin Seman, del Instituto de Física y responsable del Laboratorio de Materia Ultrafría

Por primera vez en México y América Latina, un grupo de científicos logró producir en un laboratorio de física experimental de la UNAM el condensado de Bose-Einstein, un estado de la materia que se logra a una temperatura ultrafría, apenas por encima del cero absoluto, y permite a los científicos estudiar propiedades cuánticas en el mundo macroscópico o visible.

El logro es de Jorge Amin Seman Harutinian, investigador del Instituto de Física (IF) de la UNAM, quien realizó el experimento con sus colaboradores y alumnos del Laboratorio de Materia Ultrafría, adscrito al Laboratorio Nacional de Materia Cuántica (LANMAC), con sede en el IF.

“Es un paso importante para incidir en el conocimiento de la materia cuántica a nivel de estudio y de control. Tiene características singulares, pues ese experimento se hace en un laboratorio y no hay un lugar en el Universo en donde se produzcan temperaturas tan bajas”, dijo en conferencia de medios Manuel Torres Labansat, director del IF.

El estudio de la materia cuántica representa un cambio de paradigma, pues implica entender de una nueva forma cómo funciona la naturaleza.

Al respecto, Jorge Seman compartió: “estamos contentos con el resultado, que nos coloca en un punto privilegiado en el que podemos hacer contribuciones científicas interesantes”.

Además de analizar el comportamiento de la materia a nivel cuántico, en el futuro el entendimiento de este estado de la materia tendrá entre sus aplicaciones estudios de turbulencia, desarrollo de sensores de gravedad y control del tiempo, que ya usan tecnologías basadas en átomos fríos para los relojes atómicos, los más precisos desarrollados hasta ahora para sistemas de posicionamiento global (GPS), añadió en el auditorio Alejandra Jáidar.

Integrante del LANMAC

Este experimento de vanguardia es el primer logro del LANMAC, inaugurado en junio pasado dentro del IF, y conformado por once laboratorios de todo el país (seis de ellos en los institutos de Física y Ciencias Nucleares de la UNAM), en donde se estudian diferentes aspectos de distintos sistemas cuánticos compuestos por luz y materia.

“Tiene apoyo del Conacyt, de la UNAM y de cada una de las instituciones que aceptan poner un laboratorio. Cuenta con 11 grupos experimentales y una docena de físicos teóricos”, comentó Rocío Jáuregui, responsable técnica del LANMAC.

El estudio de Seman y su grupo, detalló Jáuregui, es muestra de lo que se pretende hacer en esta iniciativa nacional. “El objetivo en estos laboratorios es controlar el estado de la materia y de la luz, porque es interacción radiación con materia, a un nivel óptimo. Una vez que controlas, significa que entiendes, entonces propones e intentas desarrollar tecnologías cuánticas”.

Bajísimas temperaturas

Tras montar el experimento y aplicar varias técnicas de enfriamiento, los físicos lograron reducir la temperatura de un gas diluido, compuesto por unas 40 mil moléculas de litio a la inimaginablemente baja temperatura de 20 nanokelvin, es decir, a 20 mil millonésimas de grado por encima del cero absoluto. A esta temperatura tan baja el comportamiento del gas cambia completamente, dando origen a un fenómeno conocido como “condensación de Bose-Einstein”.

Durante la década de los 20 del siglo XX, los físicos Satyendra Bose y Albert Einstein estudiaron de manera teórica el comportamiento de un gas diluido conforme cambia su temperatura. A temperatura ambiente (alta), por ejemplo, los átomos que componen al gas tienen valores de energía diferentes entre sí. Algunos pueden moverse rápidamente, otros con mayor lentitud; cada átomo se comporta de forma más o menos independiente.

Bose y Einstein descubrieron que al reducir la energía del gas por debajo de cierto valor de temperatura, el sistema entraría en un extraño estado en el que todos los átomos tendrían exactamente el mismo valor de energía, por lo que se comportarían de manera idéntica y coherente. En consecuencia, las propiedades cuánticas de cada átomo se manifiestan a escala macroscópica.

A este estado de la materia se le conoce como “Condensación de Bose-Einstein”, y de acuerdo a la predicción de estos científicos, debería ocurrir a la temperatura increíblemente baja de 100 nanokelvin, un valor que en aquella época era imposible de lograr en laboratorio.

No conocemos ningún proceso natural que alcance temperaturas tan bajas. “Las temperaturas más bajas en todo el Universo, hasta donde la ciencia sabe, ocurren el laboratorios como éste, en donde se utiliza tecnología de punta para implementar técnicas de enfriamiento refinadas”, expuso Seman.

Propiedades cuánticas

El cambio de comportamiento del gas se explica porque a bajísimas temperaturas, todos los átomos de litio ocupan el estado más bajo de energía permitido y todos tienen el mismo valor de energía. Se mueven muy lentamente, forman una onda macroscópica de materia y ya no se pueden distinguir átomos puntuales, sino un estado colectivo que es cuántico, en el cual todos los átomos se comportan de la misma forma.

“Estamos produciendo el objeto más frío del Universo. Para no calentar la muestra, necesitamos aislarla completamente, y por eso utilizamos una cámara de ultra vacío, hecha de metal y con unas ventanas para poder observar la muestra”. Posteriormente, utilizamos una combinación de campos magnéticos y haces láser que nos permiten, por un lado, confinar a la muestra en el centro de la cámara de ultra alto vacío y aislarla del exterior, y por otro lado, remover prácticamente toda su energía hasta alcanzar la condensación de Bose-Einstein.

El experimento está conectado a una computadora que permite automatizar todo el proceso experimental de producción del condensado, y también visualizar y estudiar el comportamiento del gas. Una de las consecuencias más impactantes del comportamiento colectivo de las moléculas es el fenómeno conocido como “superfluidez”, que tiene como consecuencia que el gas pierda su viscosidad, por lo que puede fluir sin ninguna resistencia.

Aunque la condensación de Bose-Einstein y la superfluidez no son el mismo fenómeno, la segunda ocurre en la primera. “Pero ambos son fenómenos cuánticos macroscópicos y muchas veces se presentan juntos”, finalizó.

Fuente UNAM

Foto / UNAM

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