NeoFronteras

Condensados en la Estación Espacial

Área: Física — sábado, 9 de septiembre de 2017

Dentro de unos meses se enviará a la Estación Espacial Internacional un instrumental que permitirá la formación y estudio de condensados de Bose-Einstein en órbita.

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Las física de partículas obedece a dos estadísticas. Las partículas de spin semientero responden a la estadística de Fermi-Dirac, las de spin entero responden a la estadística de Bose-Einstein. Así que a las primeras se les llama fermiones y a las segundas bosones.

Además de algunas partículas elementales, las partículas compuestas, incluidos los átomos, pueden formar bosones y fermiones.

A los fermiones no les gusta ocupar los mismos estados cuánticos que los otros fermiones. Esto es una ventaja, pues, por ejemplo, los electrones (que son fermiones) forman las capas electrónicas del átomos y no caen todos a la de energía más baja. De otro modo los átomos de distintos elementos tendrían prácticamente las mismas propiedades y el Universo sería muy aburrido.

A los bosones, por otro lado, les gusta estar todos agrupados en el mismo estado cuántico si no hay nada que se lo impide. El típico impedimento es la temperatura. La temperatura es la enemiga de los condensados que pueden formar los bosones, pues introduce agitación y desorden en el sistema. La predicción sobre la existencia de los condensados de bosones se realizó hace casi ya un siglo, pero los primeros en conseguirse se obtuvieron hace poco más de veinte años.

Así que para conseguir un condesado de Bose-Einstein se tiene que lograr una temperatura muy cercana al cero absoluto y un vacío casi absoluto. Los laboratorios que se dedican a ello son generalmente sótanos o están muy aislados, incluso acústicamente. Las vibraciones tampoco ayudan en la consecución de estos condensados.

Eric Cornell y Carl Wieman consiguieron en los noventa del pasado siglo una instrumentación que permitía enfriar un gas de rubidio a unas pocas billonésimas de Kelvin. En 1995 obtuvieron el tan ansiado condensado, logro por el que recibieron el Nobel en 2001. Hace sólo dos años que desmontaron el instrumental para acometer otros proyectos.

Estos investigadores y otros físicos forman parte de un proyecto de la NASA para conseguir un minilaboratorio que permita obtener condensados de Bose-Einstein en la estación espacial. El CAL (Cold Atom Laboratory) será lanzado al espacio a comienzos del año que viene después de un retraso de unos meses. Con ello se esperan batir todos las plusmarcas de baja temperatura en el espacio.

La clave está en la miniaturización. Un tipo de experimento que antes necesitaba de grandes salas en donde meter láseres y todo tipo de instrumentación, ahora se puede reducir al tamaño del congelador de frigorífico. Ese pequeño paquete contendrá láseres, boninas magnéticas, bombas de vacío y todo lo necesario. El condesado se formará en la superficie de un microchip.

La idea detrás de todo esto no es gastar los 70 millones de dólares que cuesta el proyecto en reproducir lo que se ha hecho ya en tierra firme. La idea es tener tiempo suficiente como para poder realizar buenas medidas del condensado que se forme.

El problema de los condensados en los laboratorios terrestres es que pesan y una vez se forman y son liberados caen al fondo de la vasija que los contiene. El típico condensado se forma dentro de una trampa magnetoóptica, pero para poder medirlo hay que desactivar esa trampa. Sólo se dispone de unas decenas de milisegundos para hacer las medidas.

Se espera que en la estación espacial se disponga de 10 segundos antes de que los condensados que se obtengan choquen contra las paredes de la vasija de vacío que los contenga. Antes de eso, la expansión del condensado permitirá incluso alcanzar temperatura aún más bajas.

Lo más parecido que se ha conseguido en tierra es usando la torre de 146 metros de microgravedad de Bremen (Alemania), que es, básicamente, un tubo al vacío vertical en donde se deja caer en caída libre un contenedor con el experimento de turno. Esta instalación permite realizar experimentos de microgravedad que duren 5 segundos. La colaboración alemana QUANTUS ha conseguido 50 picokelvins usando esta torre. Este mismo equipo consiguió el primer condensado en el espacio gracias a un vuelo cohete suborbital de 6 minutos de caída libre.

CAL permitirá disponer de un año o más de experimentos en los que se espera bajar por debajo de los 100 picokelvin de manera continua.

Entre otros experimentos, se intentará formar burbujas de condensados en lugar de esferas sólidas, lo que puede dar a una formación distinta de los vórtices que poseen estos condensados.

Otra cosa que se quiere ver es si se da el efecto Efimov, que permite a ciertos átomos formar agregados a modo de “moléculas” de dos o tres átomos. Estas “moléculas” son equivalentes al nudo borromeo, una curiosidad topológica. Un grupo de investigadores ya ha tratado conseguir esto en tierra con átomos ultrafíos de potasio-39. Su densidad no será suficiente como para formar condensados, pero si estas moléculas de tres átomos.

Este efecto ha sido ya observado en tierra, pero se quiere comprobar la dependencia de estos agregados con el campo magnético aplicado. Además, se especula que en el espacio estos agregados podrían tener el tamaño de una bacteria.

Pero la meta más ambiciosa de CAL es realizar experimentos de interferometría atómica. Según la Mecánica Cuántica, cada átomos del condensado puede tomar a la vez dos caminos distintos e interferir consigo mismo. Esto formaría un patrón de difracción, lo que revelaría el efecto de la gravedad sobre el condensado según van por la órbita. Aunque CAL no podrá realizar al 100% este tipo de interferometría debido a limitaciones técnicas y en su lugar se usará un sistema más simple denominado ColdQuanta.

Si se tuviera éxito, se podría aplicarse a los sistemas inerciales de navegación espacial para así tener una precisión sin precedentes (esto parece un episodio de The Big Bang Theory).

Los físicos implicados esperan que un día puedan tener una satélite dedicado en exclusiva a este tipo de investigación, en lugar de usar la Estación Espacial Internacional. El satélite proporcionaría un entorno más estable. La interferometría atómica permitiría entonces levantar mapas de gravedad terrestres en directo, lo que facilitaría la supervisión de flujos de materia a lo largo de todo el globo, como los que se dan en los procesos de fusión de glaciares. De este modo, los programas de vigilancia del clima terrestre tendrían un nuevo aliado.

Copyleft: atribuir con enlace a http://neofronteras.com/?p=5684

Fuentes y referencias:
Noticia en Science.
Web de CAL.
Poster en pdf de CAL.

Salvo que se exprese lo contrario esta obra está bajo una licencia Creative Commons.
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2 Comentarios »

  1. Dr. Thriller:

    Pues para una vez que se aprovecha a lo grande la EEI (todo un bicho en dimensiones y mantenimiento), no veo por qué se tienen que poner bordes con “preferíamos un satélite”. A tema de costos, por ahí andará la cosa, entre un satélite dedicado y una torre de caída libre, ahora, obviamente el entorno de ingravidez no es reproducible (¿no se les ocurrió montar el chisme en un avión en vuelo parabólico? Supongo que sí y no es práctico).

    La EEI está muy desaprovechada…

    Respecto a los condensados en sí, y todos los efectos cuánticos, creo que en el futuro a corto plazo vamos a ver una cascada de experimentos varios en órbita. Tienen muchas aplicaciones. Militares, incluso.

  2. lluís:

    “Pero la meta más ambiciosa de CAL es realizar experimentos de interferometría atómica. Según la Mecánica Cuántica, cada átomos del condensado puede tomar a la vez dos caminos distintos e interferir consigo mismo. Esto formaría un patrón de difracción, lo que revelaría el efecto de la gravedad sobre el condensado según van por la órbita. Aunque CAL no podrá realizar al 100% este tipo de interferometría debido a limitaciones técnicas y en su lugar se usará un sistema más simple denominado ColdQuanta.”

    Que cada átomo del condensado pueda tomar a la vez dos caminos distintos e interferir consigo mismo, no es sino la aplicación de la integral de caminos de Feynman a dinámica de esos condensados.

    En cuanto al efecto Efimov,en comprobó en Austria en 2005 y se halló que una ” nube de Efimov” (con esos tres átomos formando tríos estables separadas por una considerable distancia)tiene una densidad 20 veces menor que un BEC, y ¡un millón de veces menor que el aire y el agua!.

    – y sí, el campo de estudio de estos condensados es muy amplio y prometedor, va, como dice Dr.Thriller, desde aplicaciones militares, pasando por la ya mencionada detección de intensidad de campo gravitatorio, por relojes atómicos de alta precisión, por fenómenos de superfluidez y superconductividad, en el campo de las comunicaciones, fibra óptica, y lo que quizá sea más importante ( o no, esto ya depende de cada uno) servirá para profundizar en el conocimiento e interpretación de la propia mecánica cuántica, principio de incerteza, energía del punto cero, etc. A parte por supuesto del estudio de determinados fenómenos cosmológicos, materia oscura, procesos en el interior de estrellas, acontecimientos cósmicos cercanos al tiempo cero en el Big-Bang…e incluso algunos ven en esos BECs algún papel en la teoría de cuerdas (lo siento).

    Y dado que la temperatura en el Universo es de unos 3K, y esa es una temperatura muy superior a la necesaria para obtener BECs, hay que suponer que ya sea en la ISS o en satélites se pueda alcanzar temperaturas muy cercanas al cero absoluto, nada de “ruído” (vibraciones, etc.)

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