Generado el quinto estado de la materia en el espacio

En un laboratorio de la Estación Espacial Internacional se ha logrado producir una sustancia exótica ultrafría llamada condensado de Bose-Einstein, una materia que no es sólida, líquida, gas ni plasma. Este hito tecnológico permitirá investigar nuevos aspectos de la física fundamental con esta sustancia, que se mueve entre el mundo clásico y el cuántico.

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

Un condensado de Bose-Einstein es un estado de la materia que se forma cuando un gas de bosones (uno de los dos tipos básicos de partículas elementales) se enfría cerca del cero absoluto. A esa temperatura tan bajísima, de -273.15 °C o 0 kelvin, los átomos se convierten en una entidad única con propiedades cuánticas.

Crear condensados de Bose-Einstein en la Estación Espacial Internacional permitirá investigar nuevos aspectos de la física fundamental con esta sustancia exótica, que se mueve entre el mundo clásico y el cuántico

Esta sustancia exótica esta considerada el quinto estado de la materia (distinto a los conocidos sólido, líquido, gas y plasma) y transita por la frontera entre el mundo macroscópico, gobernado por la física clásica, y el microscópico, regido por la mecánica cuántica. Por tanto, estos extraños condensados pueden ofrecer conocimientos fundamentales sobre la mecánica cuántica, aunque para medirlos con precisión surge un obstáculo: la gravedad.

Para superar esa limitación, investigadores del Jet Propulsion Laboratory (Caltech-NASA) de Estados Unidos acoplaron en 2018 un laboratorio denominado Cold Atom Lab en la Estación Espacial Internacional, y esta semana informan en la revista Nature que han logrado producir ahí los condensados de Bose-Einstein. Como gas de bosones de partida han utilizado átomos de rubidio.

Los autores han descubierto y medido algunas diferencias entre las propiedades que presenta esta materia exótica en las condiciones de microgravedad y las observadas en la Tierra. Por ejemplo, el denominado tiempo de expansión libre (en el que los átomos flotan después de apagar las trampas de confinamiento que usan los científicos) dura más de un segundo en el complejo orbital, en comparación con las pocas decenas de milisegundos que se consigue en los laboratorios terrestres.

Ahora se cumplen 25 años desde que los físicos Eric Cornell y Carl Wieman produjeran el primer condensado de Bose-Einstein, lo que les valió el Nobel

Un tiempo de observación más largo se traduce en una mayor precisión a la hora de realizar las mediciones. Además, sin apenas gravedad, es más fácil que los átomos queden atrapados por fuerzas más débiles. Esto, a su vez, permite alcanzar temperaturas más bajas, en las que los efectos cuánticos exóticos se vuelven cada vez más prominentes.

Según los investigadores, el éxito de estos experimentos iniciales muestra que el Cold Atom Lab puede facilitar futuros estudios con gases atómicos ultrafríos, incluyendo “nuevas trampas exclusivas de microgravedad, fuentes de láser atómico, física de pocos cuerpos y técnicas de interferometría atómica”.

Un hito tecnológico y científico

“La hazaña de crear condensados de Bose-Einstein en la Estación Espacial Internacional no solo supone un hito tecnológico, también abre nuevas oportunidades para la investigación de gases cuánticos y podría mejorar nuestra comprensión de la física fundamental”, valora el investigador Maike Lachmann de la Universidad de Hannover (Alemania) en un artículo paralelo publicado también en Nature.

Casualmente este mes de junio, el día 5, se cumplieron 25 años desde que los físicos Eric Cornell y Carl Wieman produjeran el primer condensado de Bose-Einstein enfriando átomos –también de rubidio– mediante láser en la Universidad de Colorado. Poco después, Wolfgang Ketterle lo consiguió en el MIT con átomos de sodio. Por este gran avance, los tres recibieron el Premio Nobel de Física en 2001.