El 29 de enero, la NASA anunci\u00f3 la selecci\u00f3n de cinco propuestas de investigaci\u00f3n en Ciencias F\u00edsicas a bordo del nuevo Cold Atom Laboratory que ser\u00e1 lanzado a la Estaci\u00f3n Espacial Internacional en 2016. En este laboratorio se llevar\u00e1n a cabo experimentos con gases cu\u00e1nticos ultrafr\u00edos a temperaturas de entre 1 y 100 billon\u00e9simas de grado por encima del cero absoluto.<\/p>\n
El Programa de Investigaci\u00f3n en Ciencias F\u00edsicas de la NASA ha aprobado fondos para la realizaci\u00f3n de cinco investigaciones a bordo del Cold Atom Laboratory (CAL), que est\u00e1 siendo desarrollado por el Laboratorio de Propulsi\u00f3n a Chorro (JPL) de la NASA, y que ser\u00e1 lanzado a la Estaci\u00f3n Espacial Internacional (ISS) a principios de 2016. El CAL ser\u00e1 un laboratorio para el estudio de gases cu\u00e1nticos ultrafr\u00edos en un ambiente de microgravedad, como el que proporciona la ISS; est\u00e1 dise\u00f1ado para satisfacer distintos tipos de experimentos y para que en el futuro pueda ser actualizado y renovado a bordo de la estaci\u00f3n. Ser\u00e1 instalado por los astronautas en un contenedor tipo EXPRESS, el cual provee un interfaz est\u00e1ndar para las cargas de pago cient\u00edficas que viajan a la estaci\u00f3n y, una vez instalado, el CAL ser\u00e1 operado de forma remota desde el JPL.<\/p>\n
El desarrollo del CAL y sus objetivos de investigaci\u00f3n responden a las recomendaciones presentadas en el Estudio del Decenio en Ciencias Biol\u00f3gicas y F\u00edsicas en el Espacio, llevado a cabo por las Academias Nacionales de EE.UU., en el que se recomienda con alta prioridad la investigaci\u00f3n en el espacio en un conjunto de \u00e1reas relativas a la f\u00edsica fundamental, entre ellas la relacionada con la f\u00edsica de los gases cu\u00e1nticos ultrafr\u00edos. Para la realizaci\u00f3n de los experimentos aprobados para el CAL, las distintas especies de \u00e1tomos que ser\u00e1n utilizados \u2013principalmente los is\u00f3topos rubidio-87, potasio-41 y potasio-40\u2212, ser\u00e1n sometidos a temperaturas extremadamente bajas: de menos de 100 billon\u00e9simas de grado por encima del cero absoluto, lo que supone un desaf\u00edo tecnol\u00f3gico de primer orden. A pesar de estar a temperaturas extremadamente bajas, los grupos de \u00e1tomos en estos experimentos se encuentran en una fase gaseosa por ser su densidad tambi\u00e9n extremadamente baja, con una densidad cientos de miles o millones de veces menor que el aire que respiramos. A estas temperaturas y densidades, los gases at\u00f3micos revelan efectos cu\u00e1nticos cuyo estudio puede abrir las puertas hacia el desarrollo de nuevos dispositivos tecnol\u00f3gicos de gran inter\u00e9s.<\/p>\n
Dado que en esta entrada voy a hablar constantemente acerca de temperaturas por encima del \u2018cero absoluto\u2019, creo que es importante hacer una peque\u00f1a parada para explicar brevemente este concepto. Como todos sabemos, la temperatura es una cantidad f\u00edsica que da una idea de lo caliente o fr\u00eda que est\u00e1 una sustancia, pero esto es realmente un reflejo de la cantidad de energ\u00eda interna que \u00e9sta posee. Se puede pensar en esto en t\u00e9rminos de la velocidad con la que se mueven u oscilan aleatoriamente los \u00e1tomos y las mol\u00e9culas (o las part\u00edculas) que forman una sustancia. A medida que \u00e9sta se calienta, la velocidad de las oscilaciones de las part\u00edculas que la componen aumenta (de ah\u00ed que un gas, por ejemplo, tienda a expandirse cuando se calienta), y a medida que se enfr\u00eda, la velocidad disminuye. Sin embargo, el proceso de enfriamiento no puede darse sin l\u00edmite ya que se puede pensar en la existencia de un punto en el que las part\u00edculas que componen esa sustancia dejar\u00edan de moverse. Por debajo de ese punto no se podr\u00eda extraer m\u00e1s energ\u00eda t\u00e9rmica del sistema; esto es, su temperatura no se podr\u00eda reducir m\u00e1s. As\u00ed pues, existe una temperatura m\u00ednima porque existe un m\u00ednimo en el nivel de energ\u00eda interna de una sustancia. Esta temperatura m\u00ednima se denomina \u2018cero absoluto\u2019 y supone el l\u00edmite de enfriamiento que se puede alcanzar para cualquier sustancia. Existen varias escalas para medir la temperatura de un sistema. Todos estamos familiarizados con la escala Celsius, que usamos diariamente cuando hablamos de la temperatura ambiente o de la temperatura corporal, etc., pero existen otras, como la escala Fahrenheit, que se utiliza principalmente en EE.UU., la escala Rankine, la escala Kelvin, y otras. Algunas de estas escalas se denominan \u2018absolutas\u2019 porque su valor cero est\u00e1 establecido por convenio para coincidir con el cero absoluto. Por ejemplo, la escala Celsius no es una escala absoluta ya que su cero se corresponde con el punto de congelaci\u00f3n del agua a presi\u00f3n est\u00e1ndar. La escala de temperatura utilizada en el Sistema Internacional de medidas es la escala Kelvin, una escala absoluta cuya unidad es el grado Kelvin, representado por \u2018K\u2019. De esta forma, el cero absoluto se corresponde con cero grados Kelvin (0 K). La escala Kelvin es la que usar\u00e9 a lo largo de esta entrada por lo conveniente que resulta para designar temperaturas cerca del cero absoluto. La conversi\u00f3n entre las escalas Celsius y Kelvin es muy sencilla ya que la magnitud de los grados es la misma en las dos; s\u00f3lo cambia el origen de las escalas: el cero absoluto, o cero grados Kelvin (0 K), se corresponde con -273,15 grados Celsius (-273,15 \u00b0C).<\/p>\n
El estudio de sistemas a temperaturas extremadamente bajas ha llevado a descubrimientos de gran relevancia. En 1911, el f\u00edsico holand\u00e9s Heike K. Onnes observ\u00f3 que la resistencia el\u00e9ctrica del mercurio desaparec\u00eda cuando era enfriado con helio l\u00edquido a 4,19 K, descubriendo as\u00ed la superconductividad; y fue en 1937 cuando el equipo de f\u00edsicos formado por el ruso Pyotr Kapitsa y los canadienses John Allen y Don Misener, descubrieron la superfluidez cuando observaron c\u00f3mo el helio-4 perd\u00eda toda su viscosidad a 2,2 K. La superconductividad y la superfluidez fueron descubrimientos fascinantes con potenciales aplicaciones pr\u00e1cticas de gran inter\u00e9s que a\u00fan a d\u00eda de hoy se tratan de desarrollar. Por otra parte, a temperaturas muy pr\u00f3ximas al cero absoluto, los \u00e1tomos de tipo bos\u00f3n (v\u00e9ase nota 1 abajo) forman condensados de Bose-Einstein (BEC), un estado nuevo de la materia que fue predicho te\u00f3ricamente por Albert Einstein y por el f\u00edsico indio Satyendra Bose en 1925. En un BEC, las part\u00edculas que lo componen pierden su identidad y sus propiedades individuales y adquieren una identidad \u00fanica; es como si dejara de haber part\u00edculas individuales para pasar todo el sistema a existir como una gran entidad cu\u00e1ntica \u00fanica, como si todo el sistema se condensara en una \u00fanica part\u00edcula (llamada por muchos \u201csuper\u00e1tomo\u201d) con un \u00fanico estado cu\u00e1ntico. Dada la dificultad en alcanzar las temperaturas requeridas para conseguir un BEC, hubo que esperar hasta 1995 para poder probar su existencia de forma experimental. Ese a\u00f1o, los f\u00edsicos estadounidenses Carl Wieman y Eric Cornell, utilizando sofisticadas t\u00e9cnicas de enfriamiento por l\u00e1ser y por evaporaci\u00f3n, consiguieron un condensado de unos 2.000 \u00e1tomos de rubidio, que llegaron a enfriar hasta 20 milmillon\u00e9simas de grado por encima del cero absoluto (0,00000002 K), logrando as\u00ed el primer BEC de la historia. Pocas semanas despu\u00e9s, el equipo del Instituto Tecnol\u00f3gico de Massachusetts liderado por el f\u00edsico alem\u00e1n Wolfgang Ketterle logr\u00f3 el segundo BEC, esta vez utilizando \u00e1tomos de sodio. Por estos logros, Wieman, Cornell y Ketterle fueron galardonados con el Premio Nobel de F\u00edsica en 2001. A muy bajas temperaturas tambi\u00e9n se estudian gases fermi\u00f3nicos, compuestos por \u00e1tomos de tipo fermi\u00f3n (v\u00e9ase nota 1), en los que se ha observado que sus \u00e1tomos se unen por pares para fluir sin fricci\u00f3n, lo que se sabe que est\u00e1 directamente relacionado con la superconductividad, por ejemplo.<\/p>\n
M\u00e1s all\u00e1 del inter\u00e9s en el conocimiento y en la comprensi\u00f3n de los fen\u00f3menos cu\u00e1nticos que se dan a muy bajas temperaturas en gases at\u00f3micos, existe un gran inter\u00e9s en su estudio porque est\u00e1n ofreciendo claves, por ejemplo, de cara a poder conseguir desarrollar alg\u00fan d\u00eda superconductores a temperatura ambiente. A pesar de que la superconductividad fue descubierta, como hemos visto, hace ya m\u00e1s de un siglo, todav\u00eda no se han podido dise\u00f1ar materiales que sean superconductores a temperatura ambiente. En 1986 se dise\u00f1\u00f3 un material cer\u00e1mico que se comportaba como un superconductor a 30 K y desde entonces hasta ahora se ha podido conseguir superconducci\u00f3n a una temperatura m\u00e1xima de unos 138 K (-135 \u00b0C), a\u00fan muy lejos de temperaturas por encima del punto de congelaci\u00f3n del agua. Se piensa que el estudio de los BEC y de los gases fermi\u00f3nicos en el rango de temperaturas ultrafr\u00edas arrojar\u00e1 luz para conseguir dise\u00f1ar materiales que sean superconductores a altas temperaturas. La superconducci\u00f3n implica la falta de resistencia el\u00e9ctrica y, por lo tanto, una enorme eficiencia en la conducci\u00f3n y en la generaci\u00f3n de electricidad, por lo que el descubrimiento de superconductores a temperatura ambiente ser\u00eda de gran beneficio para la humanidad. Por otra parte, el estudio de los condensados de Bose-Einstein es, en particular, de gran inter\u00e9s para el futuro desarrollo de l\u00e1seres at\u00f3micos (a pesar de ser conocidos por este nombre, n\u00f3tese que la palabra \u2018l\u00e1ser\u2019 no es realmente muy afortunada ya que los l\u00e1seres hacen referencia a la emisi\u00f3n de luz). Dado que todos los \u00e1tomos en un BEC ocupan el mismo estado cu\u00e1ntico, los BEC pueden de hecho constituir la fuente a partir de la que se pueden generar haces coherentes de \u00e1tomos, tal como lo hace un l\u00e1ser con haces de luz (fotones). Si bien existe consenso sobre el hecho de que no se puede predecir completamente el rango de aplicaciones que podr\u00e1n tener los l\u00e1seres at\u00f3micos (tal y como no se pudieron predecir en su d\u00eda las aplicaciones que tendr\u00eda el l\u00e1ser, que hoy se usa desde en cirug\u00eda hasta en las m\u00e1quinas registradoras de los supermercados), s\u00ed se sabe que su desarrollo abre un enorme espectro de posibilidades en cuanto a sus aplicaciones en holograf\u00eda y en interferometr\u00eda at\u00f3micas como son el dise\u00f1o de circuitos integrados mucho m\u00e1s complejos o el desarrollo de sensores capaces de proporcionar niveles de precisi\u00f3n sin precedentes. Otro campo que se beneficiar\u00e1 del estudio de sistemas cu\u00e1nticos a bajas temperaturas es el de la computaci\u00f3n cu\u00e1ntica, la cual promete grandes e impresionantes ventajas frente a la computaci\u00f3n actual en t\u00e9rminos de velocidad de computaci\u00f3n y tambi\u00e9n en cuanto a los tipos de problemas que se podr\u00edan resolver. En principio, la computaci\u00f3n cu\u00e1ntica precisa de bajas temperaturas para que las part\u00edculas que est\u00e1n involucradas en los procesos de computaci\u00f3n y de almacenamiento de informaci\u00f3n no se muevan de forma ca\u00f3tica (lo cual, como vimos, viene a ser una funci\u00f3n de la temperatura) y puedan ser debidamente manipuladas.<\/p>\n
Como hemos visto muy brevemente, la investigaci\u00f3n en gases cu\u00e1nticos a temperaturas pr\u00f3ximas al cero absoluto es de enorme inter\u00e9s debido a las potenciales aplicaciones pr\u00e1cticas que se pueden derivar de ella. La ventaja de llevar a cabo este tipo de investigaciones en un ambiente de microgravedad como el que proporciona la ISS es que debido a la ausencia de efectos gravitatorios, los \u00e1tomos pueden ser manipulados m\u00e1s f\u00e1cilmente, lo que implica que los condensados que se formen puedan ser mantenidos, manipulados y estudiados durante m\u00e1s tiempo. En la Tierra, los condensados de Bose-Einstein deben ser sometidos a trampas magneto-\u00f3pticas para retener sus \u00e1tomos. Esto no ser\u00e1 necesario a bordo de la ISS, de forma que se evitar\u00e1n las hasta ahora inevitables perturbaciones introducidas por estas t\u00e9cnicas. Todo esto tambi\u00e9n har\u00e1 posible que las temperaturas alcanzables sean a\u00fan menores que las que se consiguen com\u00fanmente en los laboratorios en la Tierra. Se prev\u00e9 que en el CAL se lleguen a conseguir temperaturas del orden de un \u2018picokelvin\u2019 (1 pK), equivalente a la billon\u00e9sima de grado por encima del cero absoluto. Para hacernos una idea de cu\u00e1n pr\u00f3xima es una temperatura de este orden al cero absoluto se puede pensar en la siguiente analog\u00eda: si hacemos corresponder una temperatura ambiente de 288 K (unos 15 \u00b0C) con la m\u00e1xima distancia de la Tierra a Marte (unos 400 millones de km), 1pK constituir\u00eda el grosor de la punta de un l\u00e1piz.<\/p>\n
Gracias a la radiaci\u00f3n c\u00f3smica de fondo, sabemos que la temperatura media del universo es de 2,73 K. Por otra parte, la regi\u00f3n m\u00e1s fr\u00eda que jam\u00e1s haya sido observada en el universo se encuentra en la nebulosa Boomerang, una nebulosa protoplanetaria situada a 5.000 a\u00f1os-luz de nosotros cuyas mol\u00e9culas de gas se encuentran a 1 K aproximadamente. As\u00ed pues, como nota anecd\u00f3tica, y como justificaci\u00f3n del t\u00edtulo de esta entrada, cuando los experimentos planeados para el CAL se lleven a cabo a bordo de la ISS se podr\u00e1 decir que \u00e9sta contendr\u00e1, tal y como anunci\u00f3 la NASA, el lugar m\u00e1s fr\u00edo del universo conocido.<\/p>\n
Nota 1. Las part\u00edculas en la naturaleza est\u00e1n divididas en dos grandes familias: los bosones y los fermiones. La diferencia entre ellas radica en el valor de su \u2018esp\u00edn\u2019, una propiedad intr\u00ednsecamente cu\u00e1ntica de las part\u00edculas, que tiene que ver con lo que podr\u00eda asociarse a su \u2018giro\u2019 en el sentido cl\u00e1sico; pero no vamos a entrar en esto aqu\u00ed, baste decir que los bosones son part\u00edculas con espines de valor entero (0, 1, 2, etc.) y los fermiones son part\u00edculas con espines de valor semientero (1\/2, 3\/2, etc.). Bosones y fermiones siguen mec\u00e1nicas estad\u00edsticas distintas; esto es, tienden a ocupar estados energ\u00e9ticos de forma diferente. Los bosones siguen la estad\u00edstica de Bose-Einstein y los fermiones siguen la de Fermi-Dirac, en honor a los cient\u00edficos que las establecieron, respectivamente. Las part\u00edculas que forman la materia, como los electrones y los quarks (que forman los protones y los neutrones), son fermiones; mientras que las part\u00edculas portadoras de interacciones fundamentales, como los fotones en la fuerza electromagn\u00e9tica, los gluones en la fuerza nuclear fuerte o las part\u00edculas W y Z en la interacci\u00f3n d\u00e9bil, son bosones. Sin embargo, una part\u00edcula compuesta por un n\u00famero par de fermiones resulta ser un bos\u00f3n, mientras que seguir\u00e1 siendo un fermi\u00f3n si est\u00e1 compuesta de un n\u00famero impar de fermiones. De esta forma, por ejemplo, los protones y los neutrones son tambi\u00e9n fermiones por estar compuestos por tres quarks, mientras que, por ejemplo, un \u00e1tomo de helio-4 es un bos\u00f3n ya que est\u00e1 constituido por un n\u00famero par de fermiones (2 protones, 2 neutrones y 2 electrones). El helio-4 o el rubidio-87 son ejemplos de \u00e1tomos tipo bos\u00f3n mientras que el potasio-40 es un ejemplo de \u00e1tomo tipo fermi\u00f3n.<\/p>\n
*Centro Europeo de Investigaci\u00f3n y Tecnolog\u00eda Espacial Europea, Holanda.<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"
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