fifth state
UNAM laboratory (Photo: Courtesy of Jorge Amin Seman Harutinian)

Por Jansel Jiménez Bulle

Jorge Amin Seman Harutinian, investigador del Instituto de Física de la Universidad Nacional Autónoma de México (UNAM), ha alcanzado en el laboratorio las temperaturas más frías del universo.

“Hemos estado a 20 mil millonésimas de grado arriba del cero absoluto. Hasta donde se sabe, no hay ningún lugar donde se pueda alcanzar ese nivel de temperatura de forma natural. Nos atrevemos a decir que el lugar más frío conocido en todo el universo está en el planeta Tierra, en laboratorios como el nuestro”, dice en entrevista para Tec Review.

La historia de esta proeza experimental inició en 2014, cuando Seman fue contratado en la UNAM como investigador.

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Entonces comenzó a hacerse cargo de los proyectos del Laboratorio de Materia Ultrafría (LMU), el primer laboratorio de gases cuánticos del país, en el cual logró obtener por vez primera en México, a finales de 2018, un condensado de Bose-Einstein o también conocido coloquialmente como quinto estado de la materia por sus propiedades que no pueden ser enmarcadas como manifestaciones de los cuatro estados de agregación más conocidos: sólido, líquido, gas y plasma.

“Desde entonces hemos estado trabajando intensamente y empezamos a hacer algunos experimentos que no hemos podido concluir, y menos ahora que la Universidad y nuestro laboratorio están cerrados. Nosotros no podemos contribuir a la crisis de la Covid-19. Tuvimos que parar. Y en ésas andamos”, explica Seman.

Hace más de dos décadas investigadores estadounidenses ya habían conseguido producir un condensado de Bose-Einstein. Ellos establecieron las directrices experimentales sobre las que Seman y decenas de investigadores alrededor del mundo se han basado para diseñar estrategias de obtención de estos fluidos tan peculiares.

Víctor Manuel Romero Rochín, investigador del Instituto de Física de la UNAM, en entrevista para Tec Review nos platica que fue en 1995 cuando dos grupos de científicos, uno en Colorado y otro en Massachusetts, Estados Unidos, obtuvieron por vez primera a escala mundial los condensados de Bose-Einstein, a partir de enfriar a bajísimas temperaturas gases de rubidio y sodio, respectivamente.

El logro concordó con una predicción que Albert Einstein, científico nacido en Alemania, había hecho en 1926, después de haber trabajado con Satyendra Nath Bose, investigador nacido en India, sobre ciertos gases que al ser enfriados a una temperatura muy baja, casi el cero absoluto, adquieren atributos sorprendentes.

“Se les llama condensados de Bose-Einstein porque ellos los habían predicho de una manera teórica. Se trata de superfluidos, o sea, fluidos que no son como fluidos como el agua. Estos nuevos fluidos no tienen viscosidad. Se comportan de manera muy peculiar. Si se pudiera hacer un líquido de dichas sustancias, podría fluir sin que se detuviera”, expresa Romero Rochín.

También explica que todos los líquidos que conocemos tienen viscosidad: la miel, por ejemplo, tiene mucha; el aire también tiene viscosidad, poquita, pero tiene; si no, los aviones no volarían.

A las temperaturas tan bajas en que subsiste el llamado quinto estado de la materia, ocurren cosas extrañas: los postulados de la física cuántica empiezan a jugar un papel preponderante, en lugar de las leyes de la física clásica que rigen movimientos como la caída de la lluvia o la traslación de los planetas alrededor del Sol.

De acuerdo con Seman, conforme se va bajando la temperatura, los átomos tienden a comportarse como si fueran ondas, entonces se empiezan a interferir constructivamente y forman una onda macroscópica de materia.

Esto es lo que llamamos condensado de Bose-Einstein, y entonces suele decirse que todos los átomos se comportan como si fueran uno. “En realidad se comportan como una única onda colectiva, en que todos los átomos contribuyen al mismo tiempo y no podemos distinguir uno de otro”.

Hasta la fecha solo se han podido obtener en el mundo cantidades minúsculas de condensados de Bose-Einstein, equivalentes a volúmenes de pequeñas gotas; sin embargo, se espera que próximamente la tecnología se desarrolle para generar mayores cantidades.

En los experimentos de 2018 hechos por Seman y su equipo de colaboradores, todo fue realizado en una cámara al ultra alto vacío, donde solo la muestra de un gas estaba dentro y, por supuesto, no se podía tocar; porque si hubiera sido así, se habría calentado por el contacto con los dedos. Se trató de un experimento que implicó el dominio de técnicas complejas como generación de campos magnéticos y luz láser con propiedades muy específicas.

“El gas, en nuestro caso litio, el tercer elemento de la tabla periódica, fue atrapado en campos magnéticos. Normalmente la materia absorbe la energía de la luz y se calienta, pero si uno entiende este proceso de intercambio de energía, se las puede ingeniar para que el intercambio ocurra en la dirección contraria y que sea la luz la que se lleve la energía de los átomos y no al revés. Ésta es la técnica más importante que utilizamos para enfriar. Significa, además, saber muy bien cómo generar la luz láser de la potencia, la polarización y el color correctos para que este proceso ocurra en la dirección opuesta a lo normal”, detalla Seman.

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El trasfondo cuántico

Como preludio teórico, es preciso decir que existen dos grandes familias de partículas subatómicas: los fermiones y los bosones.

Los primeros tienen un spin (medida de rotación de una partícula elemental) semientero (1/2, 3/2 …) y los segundos, un spin entero (0, 1, 2 …). Los fermiones tienen la cualidad de no poder ocupar estados cuánticos iguales en un sistema, mientras que los bosones sí pueden. Los estados cuánticos se refieren a los números que describen el estado de una partícula; hay varios de estos números y dependen del sistema en cuestión.

Lo anterior de acuerdo con lo dicho en entrevista para Tec Review por Fernando Ángeles Uribe, coordinador del Taller de Control y Electrónica de la Facultad de Ciencias de la UNAM, quien además se vale de figuras metafóricas para explicar el condensado de Bose-Einstein de la siguiente manera:

Con los fermiones ocurre lo mismo que con personas que quieren distinguirse en una fiesta de gala: no puede haber dos vestidas de la misma manera porque habría rivalidad, está prohibido. En física, esta ley se llama Principio de exclusión de Pauli. Si llega a aparecer una persona vestida igual, la otra hará todo lo posible por cambiar de vestimenta (números cuánticos). En cambio, los bosones son como quienes no les interesa atraer miradas: realmente no importa si van con la misma ropa a una fiesta.

De acuerdo con este experto, cuando se baja la energía de un sistema, los números cuánticos de las partículas se alteran, y al no contar con la energía para cambiar sus estados, “se vuelve inevitable que las partículas comiencen a ocupar estados con los mismos números cuánticos, ya que les queda muy poca energía y no pueden sujetarse al Principio de exclusión de Pauli”.

El equivalente, según la metáfora de la fiesta, es que bajan el nivel de competencia y eso sucede cuando, por ejemplo, participan en una reunión en que es obligatorio vestirse igual y ceder el privilegio de distinguirse en la vestimenta solo al anfitrión.

En conclusión, un condensado de Bose-Einstein es un estado de la materia (el quinto, de acuerdo con la jerga popular) perteneciente al régimen cuántico, o sea, está sujeto a la teoría que tiene relación con la emisión y absorción discontinua de energía.

Según Rosario Paredes Gutiérrez, investigadora del Instituto de Física de la UNAM, la característica principal de dicho estado es que la mayoría de sus constituyentes elementales se encuentran en el estado más bajo de energía.

“Cuando se dice ‘la mayoría’, significa un número enorme de constituyentes, como 1,000,000,000. Por ejemplo, un granito de sal tiene alrededor de 10^{19} (un 1 seguido de 19 ceros) moléculas de NaCl (cloruro de sodio). También pertenecer al régimen cuántico implica que los átomos o constituyentes elementales, además de mostrar el comportamiento dual de onda y partícula, se rigen de acuerdo con una de las dos estadísticas, fermiónica o bosónica. Esta categorización asociada al número impar o par de partículas, respectivamente, tiene grandes implicaciones sobre el estado en que grandes conglomerados de constituyentes elementales se pueden formar”, dice la investigadora. 

Según Paredes Gutiérrez, mientras que una muestra constituida de átomos fermiónicos es tal que solo un estado cuántico puede ser ocupado al mismo tiempo, en el caso de los átomos de Bose, todos ellos pueden ocupar el mismo estado cuántico a la vez. De ahí que el estado base puede poblarse en forma macroscópica, que fue precisamente el descubrimiento teórico de Bose y Einstein en 1925.

La aportación teórica de estos grandes científicos del siglo pasado, ha dado pie a aplicaciones extraordinarias, “pues como es bien sabido, toda la materia está constituida por átomos y moléculas que se comportan de acuerdo con la mecánica cuántica”, comenta Paredes.

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Una gran transformación tecnológica en ciernes

Una de las aplicaciones más importante de los átomos fríos es la metrología, ciencia de la medida con mucha precisión de cantidades físicas.

“Ya se han desarrollado relojes atómicos, donde el mecanismo que hace tic tac son átomos fríos, no tan fríos como los del condensado de Bose-Einstein, pero las técnicas que se usan para producir este gas frío son las mismas”, dice Seman.

Como los átomos están muy fríos en estos relojes, se comportan de manera muy semejante, porque tienen muy poquita energía. Seman explica que la vibración de los electrones dentro de estos átomos es exactamente la misma para todos y cuando se sincroniza produce un tic tac ultrapreciso.

“Un buen reloj de cuarzo se retrasa algunos minutos al año, entonces hay que corregirlo un poco y es más que suficiente para la vida diaria. Pero en telecomunicaciones hace falta tener un reloj más preciso para sincronizar millones de señales de manera simultánea y la única manera de hacerlo es mediante un control de tiempo muy preciso y solo un reloj de éstos lo permite. En nuestra vida diaria, usamos esta tecnología en los instrumentos GPS basados en señales satelitales sincronizadas con relojes atómicos”, comenta Seman.

La opinión de Romero es similar. Él comenta que los condensados de Bose-Einstein ya abrieron la puerta a hacer relojes atómicos todavía más precisos que los que tenemos ahora, lo cual va a permitir el desarrollo de mejores comunicaciones y más. “También podrían dar lugar a una computadora cuántica o a mejores mediciones de gravimetría que conduzcan a una mayor comprensión de cómo es la tierra y así poder encontrar más fácilmente yacimientos petrolíferos”.

Aunque este nuevo estado de la materia amplía el horizonte de nuevos desarrollos tecnológicos, el problema es que aún es complicado conseguirlo, pues se debe bajar con técnicas especializadas la temperatura enormemente, a niveles cercanos al cero absoluto. “Se necesita de todo un laboratorio para enfriar una gotita de gas. Quizá en un futuro podremos enfriar litros más fácilmente”, dice Romero.

 

La filosofía y la pasión subyacentes

Aunque la ciencia es neutral, porque no apunta a ninguna transformación social en particular, según Camilo Camhaji García, matemático y especialista en filosofía de la ciencia de la UNAM, la manipulación en términos del descubrimiento de un nuevo estado de la materia le da un vigor cada vez mayor a la humanidad en su capacidad de entender la naturaleza, lo cual resulta análogo a los cambios en los paradigmas ocurridos en revoluciones científicas de siglos anteriores.

 “Es comparable al descubrimiento, en los siglos XIX y XX, de los distintos átomos que componen los elementos, dejando atrás teorías milenarias de los cuatro elementos: tierra, agua, aire y fuego. La llamada teoría del quinto estado de la materia y los recursos técnicos para generarlo manifiestan un nuevo punto de vista para comprender los fenómenos que están en el límite entre la física y la química”, comenta el matemático en entrevista para Tec Review.

Es así como estas dos ciencias naturales, en términos de física cuántica, cada vez se convierten más en una sola área unificada de estudio, lo cual, según Camhaji, solo puede traducirse en un entendimiento más profundo, emocionante y apasionante de la estructura total del universo.

Precisamente es mediante estos últimos conceptos más cercanos al corazón que a la razón, que Seman describe el trasfondo espiritual que le llevó a ser el primer mexicano en obtener un condensado de Bose-Einstein.

“La ciencia es para los apasionados. Una persona que hace ciencia no necesariamente está pensando en ganar dinero. Quien escoge el camino de la ciencia originalmente se emociona cuando aprende y descubre cosas nuevas, cuando ve que la naturaleza y el universo son más intrincados de lo que se esperaría”, platica Seman.

“Porque el objetivo de la ciencia es siempre entender o hacer algo que nunca nadie en la historia había hecho y esto es, por principio, muy difícil, pero cuando uno lo logra, la emoción y la satisfacción son muy grandes”.

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