Diez a?os de condensados de Bose-Einstein

Aunque exist¨ªan precedentes de aquel logro de Carl Wieman y Eric Cornell en el JILA (Joint Institute for Laboratory Astrophysics) de Boulder, Colorado, en la superconductividad de los metales y en la superfluidez del helio, ¨¦sta era la primera vez que se obten¨ªa un condensado de Bose-Einstein en condiciones esencialmente ideales, esto es, en gases muy diluidos donde las colisiones entre ¨¢tomos son fuertes pero poco frecuentes. Hab¨ªan pasado 70 a?os desde que Albert Einstein realizara su famosa predicci¨®n bas¨¢ndose en el trabajo de un desconocido f¨ªsico indio llamado Satyendra Nath Bose. El experimento les vali¨® a Wieman y Cornell el premio Nobel de F¨ªsica de 2001, que compartieron con Wolfgang Ketterle, del Instituto de Tecnolog¨ªa de Massachussetts (MIT).

Cada uno de los dos millones de ¨¢tomos est¨¢ en los dos sitios a la vez

Ketterle ha llegado a media milmillon¨¦sima de grado por encima del cero absoluto

?Qu¨¦ es la condensaci¨®n de Bose-Einstein? Seg¨²n su comportamiento estad¨ªstico, las part¨ªculas pueden ser fermiones o bosones. Los fermiones son individualistas y s¨®lo cabe uno de ellos en un estado cu¨¢ntico. Por el contrario, a los bosones les encanta ocupar el mismo estado. A temperaturas altas, esta diferencia no tiene importancia, pues hay tantos estados para ocupar que la mayor¨ªa est¨¢n vac¨ªos o, como mucho, contienen una part¨ªcula. A temperaturas bajas, todas las part¨ªculas quieren ocupar los estados de m¨¢s baja energ¨ªa. Los fermiones se disponen unos encima de otros, como los miembros de una cooperativa escoger¨ªan los pisos de un edificio sin ascensor. Los bosones, m¨¢s gregarios, lo resuelven yendo todos a vivir a la planta baja. Una vez all¨ª, los bosones condensados act¨²an todos de la misma manera y su naturaleza cu¨¢ntica se amplifica como el sonido de los violines en una orquesta. El condensado forma una onda at¨®mica macrosc¨®pica.

Esta actuaci¨®n al un¨ªsono se mantiene hasta sus ¨²ltimas consecuencias. Imaginemos un condensado de dos millones de ¨¢tomos (los hay de hasta 20). Haciendo incidir un l¨¢ser suficientemente localizado, podemos dividir el condensado en dos mitades y separarlas por completo. Nuestro sentido com¨²n, basado en la f¨ªsica cl¨¢sica, nos sugiere que un mill¨®n de ¨¢tomos est¨¢n en un paquete y un mill¨®n en el otro.

Sin embargo, la f¨ªsica cu¨¢ntica nos dice que cada uno de los dos millones de ¨¢tomos est¨¢ en los dos sitios a la vez, siempre que (esto es importante) no seamos demasiado curiosos y midamos el n¨²mero de ¨¢tomos que hay en cada paquete. Si lo hacemos, destruiremos la coherencia entre las dos partes de la onda at¨®mica y tendremos que hablar de dos condensados completamente independientes. Al volver a juntar los condensados, encontraremos un patr¨®n de interferencia aleatorio. Por el contrario, si no medimos el n¨²mero de part¨ªculas, se mantendr¨¢ la coherencia de fase y cuando recombinemos los dos paquetes observaremos un patr¨®n de interferencia predecible. La diferencia entre las dos interpretaciones no es pues meramente filos¨®fica sino que tiene consecuencias experimentales que de hecho han sido comprobadas en el laboratorio.

Esto s¨®lo es un bot¨®n de muestra de los nuevos fen¨®menos que se pueden explorar con estos condensados at¨®micos que, desde su primera obtenci¨®n hace 10 a?os, no han dejado de ocupar la secci¨®n de noticias de las revistas cient¨ªficas. Hay muchos otros ejemplos. Una herramienta espectacular es la modificaci¨®n de las fuerzas interat¨®micas. ?stas dependen de la estructura interna de los ¨¢tomos, que a su vez es sensible a un posible campo magn¨¦tico. Por lo tanto, ajustando el campo magn¨¦tico externo se puede escoger la intensidad y el signo de las fuerzas entre ¨¢tomos. De este modo, los sistemas cu¨¢nticos de muchos cuerpos se pueden dise?ar a gusto del consumidor. No hay precedentes de algo parecido en la historia de la f¨ªsica.

Una luz l¨¢ser convenientemente escogida puede crear un potencial atractivo o repulsivo para un ¨¢tomo. Si se forma una onda de luz estacionaria, con nodos y vientres, el ¨¢tomo experimenta un potencial peri¨®dico. As¨ª, los grupos de M¨²nich y Florencia han empezado a recrear la f¨ªsica del estado s¨®lido, con los ¨¢tomos jugando el papel de los electrones y las modulaciones espaciales del l¨¢ser el de los iones del s¨®lido; es el cristal l¨¢ser. Hay una diferencia importante, sin embargo, y es que los electrones son fermiones y hasta ahora s¨®lo hemos hablado de ¨¢tomos bos¨®nicos. Esta diferencia no es insalvable, pues desde 1999 el grupo de JILA dirigido por Debbie Jin ha conseguido enfriar fermiones.

Actualmente, los gases cu¨¢nticos fermi¨®nicos compiten duramente con sus parientes bos¨®nicos por la atenci¨®n de la prensa cient¨ªfica, consiguiendo eclipsarlos con frecuencia. Aunque la f¨ªsica es muy distinta, la extracci¨®n social de los grupos experimentales es la misma: son los f¨ªsicos AMO (at¨®micos, moleculares y ¨®pticos). Los te¨®ricos, en cambio, son de procedencia m¨¢s variada. Primero se consigui¨® que los ¨¢tomos fermi¨®nicos se enfriaran tanto que su distribuci¨®n de energ¨ªas fuera similar al de los electrones en un metal normal. Recientemente, se ha conseguido algo m¨¢s dif¨ªcil todav¨ªa: que se comporten como los electrones de un superconductor. Sabemos desde hace 50 a?os que, a temperaturas muy bajas, los electrones de un metal se agrupan en parejas para comportarse como bosones y as¨ª poder superconducir, esto es, moverse sin encontrar resistencia.

Un equivalente at¨®mico conocido es la superfluidez del is¨®topo 3 del helio, cuyos ¨¢tomos fermi¨®nicos necesitan aparearse para superfluir. Pues bien, entre el a?o pasado y ¨¦ste, los grupos de JILA e Innsbruck han conseguido la superfluidez de un gas fermi¨®nico.

Al igual que con los condensados bos¨®nicos, la principal novedad reside en que, en los gases fermi¨®nicos, las densidades son muy bajas y las fuerzas, tanto internas como externas, ajustables. Adem¨¢s, en ambos casos, los ¨¢tomos vienen en distintos modelos, tantos como elementos de la tabla peri¨®dica pueden enfriarse en estas condiciones. Al introducir el gas cu¨¢ntico fermi¨®nico en un cristal l¨¢ser, se puede simular el comportamiento de los electrones en un s¨®lido, pero esta vez con mayor verosimilitud, ya que las propiedades estad¨ªsticas son similares.

La lista de hitos cient¨ªficos parece no tener fin. Se han condensado ¨¢tomos no alcalinos como el hidr¨®geno, el helio excitado, el cromo o el yterbio. Se han formado v¨®rtices y redes de v¨®rtices. El grupo de Ketterle ha alcanzado la temperatura de media milmillon¨¦sima de grado Kelvin por encima del cero absoluto. Lene Hau, en Harvard, ha conseguido detener la luz en un condensado at¨®mico. Y las propuestas te¨®ricas no andan precisamente cortas de imaginaci¨®n. La ¨²ltima noticia viene de Utrecht, donde un grupo de te¨®ricos ha propuesto que, con ¨¢tomos fermi¨®nicos atrapados en el interior del v¨®rtice de un condensado de Bose-Einstein, se podr¨ªan comprobar algunas predicciones de la f¨ªsica de supercuerdas, esa rama de la f¨ªsica te¨®rica que intenta unificar todas las fuerzas de la naturaleza. En la f¨ªsica AMO todo parece ser posible, por lo que no deber¨ªamos sorprendernos si finalmente alguien consigue realizar el experimento.

Fernando Sols es catedr¨¢tico de F¨ªsica de la Materia Condensada en la Universidad Complutense de Madrid.