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El sitio más frío del Universo está en México

Carmina de la Luz Ramírez 29 / Nov / 18
Científicos mexicanos lograron por primera vez en América Latina el condensado de Bose–Einstein (BEC), conocido como el quinto estado de la materia por sus cualidades ultrafrías

Todo comenzó en una especie de covacha, habitada únicamente por archivos muertos, aparatos olvidados y polvo. Antes de 2014, nadie hubiera creído que aquel rincón del Instituto de Física de la Universidad Nacional Autónoma de México, donde apenas si colgaba una tenue lámpara del techo, se convertiría en el lugar más frío del Universo. Fueron el doctor Jorge Amin Seman Harutiniani y sus colaboradores quienes apostaron por ese sitio para crear el Laboratorio de Materia Ultrafría, donde recientemente hicieron historia al haber obtenido, por primera vez en México y en América Latina, el condensado de Bose – Einstein, también conocido como el estado ultrafrío de la materia.
 
Sistemas cuánticos ultrafríos
Obtener el estado ultrafrío no era el objetivo final del equipo encabezado por Jorge Seman, sino más bien una necesidad técnica intermedia para poder investigar diversos fenómenos que suceden dentro de los sistemas cuánticos. El condensado de Bose – Einstein (BEC) es, precisamente, un sistema cuántico y constituye en sí mismo un laboratorio para estudiar aspectos como la súper fluidez y la súper conductividad, los cuales eventualmente podrían ser aplicados en el desarrollo de nuevas tecnologías.

De acuerdo con Seman Harutiniani, “un sistema cuántico está formado por luz o por materia, y las propiedades que exhibe solo pueden ser descritas por las leyes de la mecánica cuántica, que es la rama de la física encargada de estudiar el Universo a un nivel microscópico, analizando el comportamiento de las partículas (como los átomos, los electrones o los fotones) de las que está constituido todo lo que existe”.

Sin embargo, estudiar una sola partícula es sumamente difícil, por eso los científicos diseñan modelos macroscópicos en los que están presentes millones de partículas, mucho más fáciles de “ver” en conjunto. Este es el caso del Laboratorio de Materia Ultrafría, cuya finalidad es producir y estudiar sistemas cuánticos macroscópicos hechos de materia. “Hay varias formas de hacerlo; nosotros escogimos el método de enfriar un gas muy tenue a temperaturas muy próximas al cero absoluto, que es la mínima temperatura permitida por las leyes de la física”, explica Jorge Seman. En esas condiciones, el gas seleccionado, que corresponde al elemento químico litio, se comporta como un sistema cuántico y exhibe las propiedades de un BEC.
 

Obtener el estado ultrafrío no era el objetivo final del equipo encabezado por Jorge Seman, sino más bien una necesidad técnica intermedia para poder investigar diversos fenómenos que suceden dentro de los sistemas cuánticos.
Foto: Los investigadores Rocío Jáuregui, Manuel Torres Labansat y Jorge Amin Seman / UNAM

El quinto estado de la materia
El condensado de Bose – Einstein es considerado el quinto estado en el que la materia se agrega (los cuatro primeros son el sólido, gaseoso, líquido y plasma), y debe su nombre a los dos científicos que lo predijeron teóricamente en la década de 1920. El punto de partida del físico hindú Satyendra Nath Bose fue la luz; él propuso varias reglas matemáticas para determinar si dos fotones (partículas de luz) deberían considerarse idénticos o diferentes. Después, el alemán Albert Einstein retomó las ideas de Bose y las aplicó a un gas hipotético, para inferir el comportamiento de sus átomos; Einstein llegó a la conclusión de que a muy bajas temperaturas los átomos llegarían al mismo estado cuántico, que sería el menos energético posible.

En los años siguientes, el reto para los físicos experimentarles fue demostrar la existencia del condensado, así que tomaron muestras de materia y las llevaron lo más cercanamente posible al cero absoluto. Según las leyes de la física, el cero absoluto (o cero grados en la escala de Kelvin) corresponde a -273.15 grados centígrados, un escenario en el que los átomos están completamente inmóviles, es decir, tienen cero energía de movimiento; como los átomos no pueden moverse con energía negativa, entonces no hay nada más frío que eso.
Jorge Seman señala que “La condensación de Bose – Einstein ocurre por debajo de los cien nanokelvin. Si tomamos del cero al uno y lo dividimos en mil millones de pedacitos, nos quedamos con los cien primeros. Es de ese orden.” Pero llegar a esas mínimas temperaturas representa todo un desafío tecnológico y técnicas de enfriamiento muy refinadas. Los primeros en conseguirlo fueron Eric Cornell, Wolfgang Ketterle y Carl Wieman en 1995, lo cual les valió el premio Nobel de Física. Hasta el momento, no se conoce ningún fenómeno natural que sea tan frío, así que las temperaturas más bajas del Universo ocurren en lugares a los que ahora se suma el Laboratorio de Materia Ultrafría.

Hay varias formas de hacerlo; nosotros escogimos el método de enfriar un gas muy tenue a temperaturas muy próximas al cero absoluto, que es la mínima temperatura permitida por las leyes de la física"

Prohibido tocar
El experimento orquestado por Jorge Seman Harutiniani logró disminuir la temperatura de un gas de litio hasta 20 nanokelvin (0.00000002 grados centígrados). Para ello aplicaron un método conocido como trampa magneto – óptica. Primero, aislaron una muestra de unas 40 mil moléculas de litio dentro de una cámara de ultra alto vacío. Para confinar aún más la muestra, y evitar la expansión del gas hacia las paredes de la cámara, la encerraron en un campo magnético, de tal manera que la nube de litio quedó suspendida como una esfera de gas de aproximadamente un centímetro de diámetro.

El siguiente paso fue enfriar la muestra. Los objetos son enfriados cotidianamente poniéndolos en contacto con algo que esté a una menor temperatura. Pero el grupo dirigido por Jorge Seman usó una técnica diferente, pues la muestra no debería entrar en contacto con nada; la solución fue hacer incidir rayos láser específicamente diseñados para remover la energía de movimiento de las partículas de litio, respondiendo al principio de que la luz y la materia son capaces de intercambiar energía.  

Una vez que la luz y la materia del sistema alcanzaron un equilibrio en el que ya no podían intercambiar más energía, entonces los investigadores apagaron los láseres. En ese punto, la muestra de litio ya había descendido a una temperatura del orden de microkelvin, con algunas partículas más frías que otras, así que era necesario enfriarla mil veces más. Para ello, los científicos alteraron varias veces la forma del campo magnético, dejando espacio para que los átomos menos fríos y con mayor energía de movimiento escaparan, hasta dejar un gas a una temperatura de 20 nanokelvin.

¡Voila! Lo que finalmente quedó fue litio en forma de BEC, un gas que con una cámara especial se observa como un conjunto de partículas que se comportan como si fueran una sola.
 

Albert Einstein retomó las ideas de Bose y las aplicó a un gas hipotético, para inferir el comportamiento de sus átomos; Einstein llegó a la conclusión de que a muy bajas temperaturas los átomos llegarían al mismo estado cuántico, que sería el menos energético posible
 

Ciencia colaborativa
La obtención del condensado de Bose – Einstein dentro de un laboratorio mexicano se anunció en la segunda semana de noviembre, y en unos cuantos días acaparó los titulares sobre ciencia. Esta vertiginosa forma de ser de las noticias suele dar la sensación de que la ciencia consiste en “descubrimientos ráfaga” o momentos eureka en solitario, llenos de genialidad, pero efímeros. La realidad científica no puede estar más lejos, pues detrás de logros como el de Seman y su equipo hay varios años de trabajo, intentos fallidos, desvelos, observaciones una y otra vez, pero sobre todo colaboración.

Según palabras del investigador, la labor de científicos teóricos como Víctor Romero y Rosario Paredes fue fundamental para producir el condensado. De igual manera, ha resultado clave el apoyo de autoridades como el doctor Manuel Torres, Director del Instituto de Física de la UNAM, y la doctora Rocío Jáuregui, Directora del Laboratorio Nacional de Materia Cuántica (del cual forma parte el Laboratorio de Materia Ultrafría). “El mérito también ha sido de mis colegas Daniel Sahagún, Asaf Paris, Jackson Poveda y Ricardo Colín, y desde luego de estudiantes como Manuel Mendoza, Diego Hernández, Eduardo Padilla, Andrés Sandoval, Sebastián Morales, quienes prácticamente viven en el laboratorio”, reconoce Seman Harutiniani.

El joven científico considera que lo más importante de este logro es que pone de manifiesto las capacidades de control, un nuevo paradigma de la física. De esta manera, los resultados del experimento son muestra de que México ya cuenta con el conocimiento, la tecnología y los recursos humanos necesarios para colocarse en la carrera de la manipulación de la materia a nivel cuántico.
 

Autor: Carmina de la Luz Ramírez