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Un grupo internacional de físicos ha conseguido realizar experimentos de caída libre con condensados de Bose-Einstein.

Cápsula que contiene el condensado. Fuente: ZARM.

Se ha dejado caer un condensado de Bose-Einstein desde una altura de 146 metros repetidamente. El experimento, realizado por un equipo internacional, demuestra que este tipo de sistema cuántico tan delicado puede ser creado y analizado en condiciones de microgravedad, como el de la caída libre. Además sugiere que un experimento similar se puede llevar a cabo en el espacio, donde se pueden poner a prueba las predicciones de la Teoría General de la Relatividad.
Recordemos primero que las partículas se dividen en dos tipos, los fermiones, que tienen spin semientero y responden a la estadística de Fermi-Dirac, y los bosones, de spin entero y que responden a la estadística de Bose-Einstein. Los fermiones sufren el principio de exclusión y, por tanto, tienen tendencia a “huir” unas de otras. Metafóricamente se comportan un poco como personas en el metro o en un ascensor, colocándose a la máxima distancia unas de otras. Los bosones son, sin embargo, más amistosos entre ellos, al no sufrir el principio de exclusión, y optan todos por formar una única entidad en el mismo estado cuántico: el condensado de Bose-Eisntein.
La temperatura tiende a desordenar cualquier sistema físico, para conseguir un condensado de Bose-Einstein se necesita que todas las partículas que lo forman estén en el estado fundamental y muy cerca del cero absoluto de temperatura. Esta temperatura debe ser tan baja que hasta hace relativamente poco tiempo era tecnológicamente imposible conseguir este tipo de condensado. Finalmente se logró gracias al uso de láseres y trampas magneto-ópticas.
Lo bonito de los condensados de Bose-Einstein (CBE) es que los miles de átomos que los forman se comportan como si fueran una sola partícula. De este modo podrían ser usados para implementar interferómetros de materia en los que “un haz” de materia constituido por CBE se divida en dos y a cada haz resultante se le haga viajar por caminos distintos, para luego ser recombinados de manera similar a cómo se hace con la luz.
Aunque esta idea de los interferómetros de materia se ha hecho ya con átomos individuales, su precisión se podría incrementar mucho si se usaran CBE. Como los CBE son objetos muy masivos comparados con los átomos. Serían ideales para ser usados en experimentos que midan diferencias pequeñas del campo gravitatorio entre los dos caminos del interferómetro de materia. Emplear un interferómetro de materia que use CBE en ambientes de microgravedad, como la conseguida en vuelos parabólicos en avión o en órbita, permitiría a los físicos comprobar determinados aspectos de la Relatividad General con una precisión sin precedentes. Estos aspectos incluyen el efecto geodésico y del efecto Lense-Thirring, que describen los efectos de distorsión en el espacio-tiempo provocado por la masa de la Tierra y su rotación.
También nos podemos plantear si la aceleración de la gravedad es la misma para objetos de diferentes masas o si la masa pesante y gravitatoria es la misma, así como comprobar si se pueden encontrar efectos cuánticos de la gravedad. Pero todos efectos, si existen, son minúsculos. Quizás un interferómetro de materia nos permita comprobarlos.
Sin embargo, lanzar un interferómetro de CBE al espacio es bastante complicado, incluso dejarlo caer unos pocos metros ya es tremendamente difícil, ya que se tienen que mantener las condiciones de ultra alto vacío, baja temperatura y alta precisión en láseres y campos magnéticos.
Ahora se ha conseguido precisamente casi esto mismo en la Universidad de Leibniz en Hanover (Alemania). Se ha dejado caer en caída libre un sistema de CBE completo desde 146 metros, con sus láseres, trampas magneto-ópticas, etc. El condensado estaba constituido por 10 millones de átomos de rubidio 87. La cápsula, con toda la parafernalia tecnológica, mide 2,15 metros de longitud y 1,2 metros de ancha. Durante su caída la gravedad experimentada en el interior es 10^-5 veces la normal terrestre. Durante el primer segundo de caída se consigue eliminar las vibraciones del sistema y enfriar el sistema hasta los 10 nanokelvin. Gracias a una cámara los científicos fueron capaces de seguir la caída del condensado durante otro segundo. Pudieron repetir el experimento 180 veces.
Comprobaron que el CBE se movió 3mm respecto a la cápsula durante ese tiempo, movimiento que no tienen un origen gravitatorio y quizás esté causado por algún campo magnético residual. Estos físicos planean repetir este tipo de experimentos con CBE en otro estado cuántico para eliminar estos problemas residuales y medir finalmente los efectos gravitatorios.
Como meta futura también planean construir un interferómetro atómico que opere en microgravedad.
Este logro constituye un importante paso hacia adelante en el desarrollo de interferómetros de materia que finalmente puedan viajar al espacio.

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Fuentes y referencias:
Noticia en PhysicsWorld.
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