El frío tiene un límite que la física conoce muy bien, pero al que ningún laboratorio puede llegar exactamente: el cero absoluto. Cuanto más nos acercamos a él, más difícil resulta reducir la energía térmica de los átomos, hasta el punto de que cada pequeño descenso de temperatura representa un desafío experimental. Y lo interesante no es solo alcanzar una cifra extraordinariamente baja, sino lo que sucede con la materia en esas condiciones. A temperaturas tan extremas, comienzan a manifestarse fenómenos cuánticos que normalmente permanecen ocultos por la agitación térmica.
Desde la órbita terrestre, un equipo de científicos chinos ha dado un nuevo paso hacia ese límite. Los investigadores han obtenido en la estación espacial Tiangong una nube de unos 20.000 átomos de rubidio con una temperatura cinética equivalente de 9,7 picokelvin, según un estudio publicado en Science. Hablamos de apenas 9,7 billonésimas de kelvin por encima del cero absoluto, situado en −273,15 °C. Para conseguirlo, trabajaron con un condensado de Bose-Einstein, un estado de la materia en el que numerosos átomos comparten un mismo estado cuántico. No han creado un elemento nuevo, sino preparado materia conocida en unas condiciones extraordinarias.
El equipo recurrió a un procedimiento que combina distintas técnicas de enfriamiento atómico. Primero utilizó haces de luz láser para mantener los átomos confinados en una trampa óptica y aplicó el llamado enfriamiento evaporativo, que permite escapar a los más energéticos y reduce la energía media de los restantes. Después, los investigadores trasladaron los átomos a otra configuración óptica y debilitaron progresivamente su confinamiento, siguiendo un procedimiento de enfriamiento en dos etapas. La última fase, descrita como expansión no adiabática, contribuyó a reducir todavía más la energía asociada al movimiento de la nube.
Por qué el espacio ha sido clave para conseguir este récord
La elección del espacio no fue casual. En la Tierra, la gravedad limita tanto la posibilidad de mantener los átomos en trampas muy débiles como el tiempo disponible para observarlos después de liberarlos. Según explica la Universidad de Pekín, las condiciones de microgravedad de Tiangong permitieron reducir la intensidad del confinamiento y estudiar la expansión libre de la nube durante siete segundos. La velocidad a la que se dispersan los átomos permite determinar su temperatura cinética equivalente. De ahí procede la cifra comunicada, que no corresponde a la temperatura del laboratorio espacial ni significa que la nube permaneciera confinada durante esos siete segundos.
El resultado adquiere otra dimensión cuando lo comparamos con los antecedentes científicos. En 2021, un equipo alemán alcanzó una temperatura equivalente de 38 picokelvin mediante un experimento en una torre de caída libre, detalla una publicación en Physical Review Letters. La nueva marca china equivale aproximadamente a una cuarta parte de aquel valor, aunque los investigadores comunican una incertidumbre de +3,2 y −2,7 picokelvin sobre su estimación central de 9,7. La NASA también lleva años estudiando gases cuánticos en la Estación Espacial Internacional, donde ya se habían producido condensados de Bose-Einstein. Conviene, eso sí, distinguir las técnicas utilizadas y las magnitudes medidas en cada experimento.
Sistema experimental de física de átomos ultrafríos desarrollado para la estación espacial china Tiangong y enviado al espacio en 2022 a bordo del módulo Mengtian | Foto: Instituto de Óptica y Mecánica Fina de Shanghái
Detrás de este avance también hay un enorme desafío de ingeniería. Según el Instituto de Óptica y Mecánica Fina de Shanghái, perteneciente a la Academia China de Ciencias, los estudios de viabilidad del proyecto comenzaron en 2011 y el sistema experimental llegó a la estación espacial en 2022, a bordo del módulo Mengtian. Para hacerlo posible, los investigadores tuvieron que integrar las capacidades de un laboratorio terrestre de unos 20 metros cúbicos y 10 toneladas en un instrumento espacial de apenas 0,7 metros cúbicos y 500 kilos. Todo ello exigió combinar sistemas de vacío ultraalto, láseres de alta potencia y mecanismos de control capaces de mantener la estabilidad y precisión necesarias para estos experimentos.
¿Y para qué sirve acercarse tanto a ese límite? Según los investigadores participantes, disponer de gases ultrafríos y observar su evolución durante más tiempo abre nuevas posibilidades para estudiar cómo interactúan las partículas y cómo se comportan los sistemas cuánticos. También podría contribuir al desarrollo de interferómetros atómicos, instrumentos que aprovechan las propiedades ondulatorias de los átomos para realizar mediciones de gran precisión. Entre las líneas de investigación que se plantean figura incluso la búsqueda de determinadas formas hipotéticas de materia oscura, aunque todavía hablamos de posibilidades futuras, no de aplicaciones demostradas.
Fuente: Tecnologia
