La materia se puede encontrar en diversos estados agregados, entre los que encontramos sólidos, gases y líquidos, sin embargo, existen otro tipo de estados menos conocidos, uno de los cuales es el conocido como condensado de Bose-Einstein, considerado por muchos químicos, científicos y físicos como el quinto estado de la materia.
En este artículo vamos a contarte qué es el condensado de Bose-Einstein, sus características, aplicaciones y mucho más.
Qué es el condensado de Bose-Einstein
Un Condensado de Bose-Einstein (BEC) es un estado agregado de la materia, como los estados usuales: gaseoso, líquido y sólido, pero ocurre a temperaturas extremadamente bajas, muy cercanas al cero absoluto.
Consiste en partículas llamadas bosones que, a estas temperaturas, residen en el estado cuántico de energía más baja conocido como estado fundamental. Albert Einstein predijo esto en 1924 después de leer un artículo sobre estadísticas de fotones que le envió el físico indio Satyendra Bose.
No es fácil obtener las temperaturas necesarias para formar condensados de Bose-Einstein en el laboratorio, por lo que hasta 1995 no se pudo contar con la tecnología necesaria. Ese año, los físicos estadounidenses Eric Cornell y Carl Wieman y el físico alemán Wolfgang Ketterle lograron observar los primeros condensados de Bose-Einstein. Los científicos de Colorado usaron rubidio-87, mientras que Keitel lo obtuvo a través de un gas altamente diluido de átomos de sodio.
Debido a que estos experimentos abrieron la puerta a un nuevo campo de estudio de las propiedades de la materia, Kettler, Cornell y Wieman recibieron el Premio Nobel de 2001. Es precisamente debido a la temperatura extremadamente baja que es posible que los átomos de gas con ciertas propiedades formen un estado ordenado, todos los cuales logran adquirir la misma energía y cantidad de movimiento reducidas, lo que no sucede en la materia ordinaria.
Características principales
Como se ha mencionado anteriormente, la materia no solo tiene tres estados básicos de líquido, sólido y gas, sino que por el contrario, hay un cuarto y un quinto estado que son plasmáticos e ionizado. Un condensado de Bose-Einstein es uno de estos estados y tiene varias características:
- Es un estado agregado compuesto por una colección de bosones que son partículas elementales.
- Se considera el quinto estado de agregación que pueden asumir los materiales.
- Se observó por primera vez en 1995, por lo que es bastante nuevo.
- Tiene un proceso de condensación cercano al cero absoluto.
- Es súper fluido, lo que significa que tiene la capacidad de la sustancia para eliminar la fricción.
- Es superconductor y tiene cero resistencia eléctrica.
- También se le conoce como cubo de hielo cuántico.
Origen del condensado de Bose-Einstein
Cuando se encierra un gas en un recipiente, normalmente las partículas que componen el gas se mantienen a una distancia suficiente entre sí para que haya muy poca interacción, aparte de la colisión ocasional entre ellas y con las paredes del recipiente. De ahí se deriva el conocido modelo de gas ideal.
Sin embargo, las partículas están en agitación térmica permanente, y la temperatura es el parámetro decisivo para la velocidad: a mayor temperatura, más rápido se mueven. Si bien la velocidad de cada partícula puede variar, la velocidad promedio del sistema permanece constante a una temperatura determinada.
El siguiente hecho importante es que la materia consta de dos tipos de partículas: fermiones y bosones, que se distinguen por su espín (momento angular intrínseco), que son de naturaleza completamente cuántica. Por ejemplo, los electrones son fermiones con espines semienteros, mientras que los bosones tienen espines enteros, lo que hace que su comportamiento estadístico sea diferente.
A los fermiones les gusta ser diferentes y, por lo tanto, obedecen el principio de exclusión de Pauli, según el cual dos fermiones en un átomo no pueden tener el mismo estado cuántico. Esta es la razón por la cual los electrones están en diferentes orbitales atómicos y, por lo tanto, no ocupan el mismo estado cuántico.
Los bosones, por otro lado, no obedecen al principio de repulsión y por lo tanto no tienen inconveniente en ocupar el mismo estado cuántico. La parte difícil del experimento es mantener el sistema lo suficientemente frío para que la longitud de onda de De Broglie permanezca alta.
Los científicos de Colorado lograron esto mediante el uso de un sistema de enfriamiento por láser que consiste en golpear muestras atómicas de frente con seis rayos láser, lo que hace que disminuyan repentinamente su velocidad y, por lo tanto, reduzcan en gran medida sus perturbaciones térmicas.
Los átomos más fríos y lentos quedan atrapados en el campo magnético, lo que permite que los átomos más rápidos escapen para enfriar aún más el sistema. Los átomos confinados de esta manera lograron formar una pequeña gota del condensado de Bose-Einstein por un corto tiempo, que duró lo suficiente como para ser registrado en una imagen.
Aplicaciones
Una de las aplicaciones más prometedoras del condensado de Bose-Einstein es en la creación de dispositivos de precisión para la medición del tiempo y la detección de ondas gravitatorias. Debido a que los átomos en un condensado se mueven como una sola entidad, son mucho más precisos que los relojes atómicos convencionales y pueden utilizarse para medir el tiempo con una precisión sin precedentes.
Otro aspecto donde se le puede encontrar aplicación a este quinto estado de la materia es en la computación cuántica, que podría permitir la creación de computadoras mucho más poderosas y eficientes que las actuales. Los átomos en un condensado pueden utilizarse como qubits, los bloques de construcción básicos de un ordenador cuántico, y sus propiedades cuánticas podrían permitir la realización de cálculos mucho más rápidos y precisos que los posibles con los ordenadores convencionales. Por esto es por lo que se está hablando en la actualidad mucho sobre los ordenadores cuánticos.
Además, el condensado de Bose-Einstein también se utiliza en la investigación de la física de materiales y en la creación de nuevos materiales con propiedades extraordinarias. Por ejemplo, se ha utilizado para crear materiales superconductores que podrían revolucionar la industria de la electrónica y permitir la creación de dispositivos mucho más eficientes y potentes.
Espero que con esta información puedan conocer más sobre el condensado de Bose-Einstein, sus características y aplicaciones.