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11 jun. 2020

La Nasa generó en el espacio el quinto estado de la materia

Gracias a la instalación Cold Atom Laboratory que la NASA tiene en la Estación Espacial Internacional, se ha logrado enfriar átomos cerca del cero absoluto hasta obtener condensados de Bose-Einstein


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Inicio de la formación de un condensado de Bose–Einstein en la Estación Espacial Internacional. / R. Thompson et al./Nature/NASA

Sólido, líquido, gaseoso, plasma y condensado de Bose-Einstein (BEC, por sus siglas en inglés). Estos son los cinco estados de la materia, o al menos los primeros de la lista, pues la ciencia experimenta con otras exóticas formas. Los tres primeros se enseñan en primaria, el cuarto puede que nos suene, pero ¿el quinto? Pues con esta forma de agregación trabajan en la Estación Espacial Internacional (EEI) donde se explota el entorno de microgravedad del espacio para realizar experimentos.

Un condensado de Bose-Einstein se forma cuando un grupo de átomos se enfría hasta cerca del cero absoluto (-273 ºC). Es una forma de agregación de la materia que no se encuentra de manera natural, de hecho, este año se cumple un cuarto de siglo desde que los físicos Eric Cornell y Carl Wieman lograsen enfriar tanto una nube de átomos para que alcanzara este estado. Años más tarde recibirían en Nobel de Física por el descubrimiento.

A esta baja temperatura, dichos átomos se convierten en una entidad única, como si fueran un super átomo, con propiedades cuánticas. Es decir, se logra que algo a escala macroscópica se rija por las leyes de la física que dominan la materia a escala microscópica. Los condensados de Bose-Einstein proporcionan de esta manera una ventana única al mundo de la mecánica cuántica. Pero medirlos con precisión se ve obstaculizado por la gravedad.

Hoy el equipo de Robert Thompson, del Jet Propulsion Laboratory de la NASA, presenta en un estudio publicado en Nature las características de los condensados generados en el espacio. El documento muestra los primeros resultados de la misión Cold Atom Laboratory (CAL), la cual diseñó una instalación para la investigación de cuánticos ultrafríos en el entorno de microgravedad de la EEI y que se puso en órbita en el 2018.

“La microgravedad nos permite confinar átomos con fuerzas mucho más débiles, ya que no tenemos que sostenerlos en contra de la gravedad. Esto nos ayuda a lograr un régimen de temperaturas más bajo del que realmente se puede lograr sobre la Tierra”, explica Thompson por correo electrónico.

El equipo halló ciertas diferencias en las propiedades del BEC generado en la estación espacial respecto a las observadas en la Tierra. Para la generación de un condensado se emplea un proceso conocido como enfriamiento evaporativo. Para ello se sirven de campos magnéticos que confinan los átomos como si de una trampa se tratara.

“Una de las formas en que enfriamos los átomos más allá del punto en que ocurre la condensación de Bose-Einstein es debilitando la trampa, lo que permite que la nube atómica se expanda. A medida que se expande, se enfría”, explica Thompson. El proceso es similar a lo que sucede con un bote de espray: a medida que se rocía el gas, el de dentro se expande y enfría la lata.

Al hacer esto en el espacio, los átomos se expanden sin resultar afectados por la fuerza de la gravedad. “Lo más importante es que podemos observar los átomos mientras flotan completamente desconfinados (y por lo tanto no perturbados) por fuerzas externas”, dice.

En la Tierra, los átomos comienzan a caer inmediatamente por la fuerza de atracción gravitatoria y por lo general golpean la parte inferior del instrumento en una fracción de segundo, limitando así el tiempo de observación. Y un tiempo de observación más largo se traduce en una mayor precisión en las mediciones.“En el espacio, básicamente estás limitado por cuánto puedes lograr enfriar tus átomos, y esperamos alcanzar más de cinco segundos en el CAL, y tal vez mucho más tiempo en futuras misiones”. Por el momento han conseguido superar el segundo.

También hay otras ventajas que presenta la generación del quinto estado de la materia en el espacio. En tierra, los diferentes tipos de átomos se separarán hasta cierto punto y los más pesados se hunden, especialmente en trampas muy débiles. E incluso puede darse que con el mismo tipo de átomo haya variaciones en la densidad causadas por la gravedad, lo que conlleva a algunos experimentos sean imposibles de llevar a cabo, según explica el investigador.

Los resultados del equipo muestran que el laboratorio espacial puede facilitar futuros estudios de gases atómicos ultrafríos y la ventaja de producirlos en condiciones de microgravedad. Suponen, según indican los autores, el principio de años de potenciales operaciones científicas con las primeras series de experimentos ya en marcha.

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