Por primera vez, los científicos observaron el quinto estado de la materia en el espacio, gracias a un experimento llevado a cabo en la Estación Espacial Internacional (EEI). Es un estado distinto al líquido, sólido, gaseoso y el plasma, posible solo en temperaturas cercanas al cero absoluto y en el que átomos ultrafríos que se mueven al unísono se comportan como ondas en lugar de partículas.
El resultado, publicado en la revista Nature, se debe a la investigación coordinada por Robert Thompson, del California Institute of Technology (Caltech).
Los condensados de Bose-Einstein (BEC), cuya existencia fue predicha por Albert Einstein y el matemático indio Satyendra Nath Bose hace casi un siglo, se forman cuando los átomos de ciertos elementos se enfrían hasta casi el cero absoluto (0 Kelvin, menos 273.15 Celsius).
En este punto, los átomos se convierten en una entidad única con propiedades cuánticas, en donde cada partícula también funciona como una onda de materia.
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Los BEC se extienden a horcajadas en la línea entre el mundo macroscópico gobernado por fuerzas como la gravedad y el plano microscópico, regidos por la mecánica cuántica.
Los científicos creen que los BEC contienen pistas calves sobre fenómenos misteriosos como la energía oscura, la energía desconocida que se cree que está detrás de la expansión acelerada del Universo.
Pero los BEC son extremadamente frágiles. La más mínima interacción con el mundo externo es suficiente para calentarlos más allá de su umbral de condensación. Esto hace que sea casi imposible que los científicos los estudien en la Tierra, donde la gravedad interfiere con los campos magnéticos necesarios para mantenerlos en su lugar para la observación.
El jueves, un equipo de científicos de la NASA dio a conocer los primeros resultados de los experimentos de BEC a bordo de la Estación Espacial Internacional, donde las partículas se pueden manipular sin restricciones terrestres.
El Cold Atom Laboratory (CAL) se lanzó a la EEI en 2018. Este dispositivo del tamaño de una valija enfría átomos de rubidio y potasio en una cámara de vacío, utilizando luz láser para ralentizar su movimiento.
“La microgravedad nos permite confinar átomos con fuerzas mucho más débiles, ya que no tenemos que apoyarlos contra la gravedad”, dijo a AFP Robert Thompson, del Instituto de Tecnología de California, Pasadena.
La investigación publicada en la revista Nature documenta varias diferencias sorprendentes en las propiedades de los BEC creados en la Tierra y aquellos a bordo de la EEI.
Diferencias con los BEC observados en la Tierra
Por un lado, los BEC en los laboratorios terrestres suelen durar unos pocos milisegundos antes de disiparse. A bordo de la EEI, los BEC duraron más de un segundo, ofreciendo al equipo una oportunidad sin precedentes para estudiar sus propiedades.
La microgravedad también permitió que los átomos fueran manipulados por campos magnéticos más débiles, acelerando su enfriamiento y permitiendo imágenes más claras.
Crear el quinto estado de la materia, especialmente dentro de los límites físicos de una estación espacial, no es tarea fácil. Primero, los bosones (átomos que tienen el mismo número de protones y electrones) se enfrían a cero absoluto utilizando láseres para sujetarlos en su lugar.
Cuanto más lento se mueven los átomos, más fríos se vuelven.
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A medida que pierden calor, se introduce un campo magnético para evitar que se muevan y la onda de cada partícula se expande agarrando muchos bosones en una “trampa” microscópica que hace que sus ondas se superpongan en una sola onda de materia, una propiedad conocida como degeneración cuántica.
En el segundo en que se libera la trampa magnética para que los científicos estudien el condensado, sin embargo, los átomos comienzan a repelerse entre sí, lo que hace que la nube se separe y el BEC se diluya demasiado para detectarlo.
Thompson y el equipo se dieron cuenta de que la microgravedad a bordo de la EEI les permitió crear BEC a partir de rubidio, un metal blando similar al potasio, en una trampa mucho menos profunda que en la Tierra. Esto explicaba el tiempo enormemente aumentado que se podía estudiar el condensado antes de difundirlo.
“Lo más importante es que podemos observar los átomos mientras flotan completamente sin confinarse (y, por lo tanto, sin perturbarse) por fuerzas externas”, dijo Thompson.
Estudios anteriores que intentaban emular el efecto de la ingravidez en los BEC utilizaron aviones en caída libre, cohetes e incluso aparatos arrojados desde varias alturas.
El líder del equipo de investigación, David Aveline, dijo a la AFP que estudiar BEC en microgravedad abrió una serie de oportunidades de investigación.
“Las aplicaciones van desde pruebas de relatividad general y búsquedas de energía oscura y ondas gravitacionales hasta navegación en naves espaciales y prospección de minerales subterráneos en la luna y otros cuerpos planetarios”, dijo.
