Condensado de Bose – Einstein: propiedades y aplicaciones

Condensado de Bose – Einstein

Sólido, líquido y gaseoso no son los únicos estados de la materia, también existen otros estados de agregación, que son poco conocidos porque no se producen de manera natural en el entorno. El cuarto estado es el plasmático o de gas ionizado. Luego le sigue, el condensado de Bose – Einstein, al cual hacemos referencia, considerado como el quinto.

Se trata de una propiedad que se presenta en ciertos materiales, fue creado por Bose y Einstein en el año 1924 y consolidada en 1995 por Erick Cornell y Carl Wieman. Su característica principal es que a bajas temperaturas, próximas al cero absoluto, las partículas que componen un material pasan al estado fundamental, es decir, a un nivel de mínima energía.

A continuación, encontrarás información relevante como las propiedades y aplicaciones de este estado de agregación de la materia. Pero antes, es necesario conocer qué es y algunos conceptos fundamentales para su entendimiento.

¿Qué es el condensado de Bose – Einstein?

Es también llamado el cubo de hielo cuántico, se dio a conocer por los estudios teóricos de dos físicos: Albert Einstein y Satyendra Nath Bose. Quienes en el año de 1924, predijeron la existencia de este estado.

Satyendra Nath Bose y Albert Einstein. Fuente: Wikipedia

Es un estado de agregación de la materia, compuesto por bosones super enfriados próximos al cero absoluto. La mayoría de ellos, ocupa el estado cuántico más bajo posible.

Está conformado por nubes de gas compuestas por múltiples átomos que se comportan como si fueran uno solo. En ese sentido, se sincronizan en una onda y comparten sus propiedades cuánticas.

¿Cuál es su origen?

En el año 1924 el físico hindú Satyendra Nath Bose, realizó un escrito el cual envío posteriormente al célebre físico Albert Einstein. Bose formulaba la idea de tratar los fotones como un gas de partículas idénticas, por medio de la derivada de la ecuación de Planck, para la radiación de un cuerpo negro.

Einstein, al analizar el estudio de Bose, y presumiendo la conservación del número de partículas, extiende su teoría para un gas ideal con átomos o moléculas idénticas. También, propone que para bajas temperaturas, cercanas al cero absoluto, las partículas se congregan en el estado cuántico más bajo del sistema. A este fenómeno se le denominó “condensado de Bose – Einstein (BEC)”.

Comprobar estas predicciones en la época de Bose y de Einstein, era un problema debido al poco avance tecnológico de la década. Posteriormente, los científicos Harold Hess y Letokhov propusieron el uso de trampas magnéticas para enfriar los átomos. Durante los años ochenta, un grupo de científicos liderados por Steven Chu y Ashkin, plantean un sistema de enfriamiento de átomos por medio de haces de rayos láser.      

Seguidamente, en el año 1995, con una combinación de estos dos sistemas de enfriamiento, los científicos Erick Cornell y Carl Wieman, obtienen evidencia palpable del condensado de Bose – Einstein en un gas atómico diluido.

Conceptos fundamentales

¿Qué es un bosón?

Es uno de los dos tipos básicos de partículas elementales. Algunos tipos de bosón son: un fotón, un gluón, los bosones W y Z, el bosón de Higgs, y quizás el gravitón (aún por determinar). 

¿Qué es el cero absoluto?

Es la temperatura mínima que puede alcanzar un objeto en el universo. Prácticamente es inalcanzable y se establece en -273,15 °C (grados Centígrados) o 0 K (grados Kelvin). 

¿Qué es un estado cuántico?

Cuando se habla de estado cuántico, se refiere a una entidad estrictamente matemática. La cual, suministra una distribución de probabilidad para los resultados de cada posible medición en un sistema.

Experimento del condensado de Bose – Einstein

Para comprobar la existencia del BEC, se requiere del uso de dos métodos: el enfriamiento por láser y el enfriamiento evaporativo.

El enfriamiento por láser consiste en la detención de los átomos, disminuyendo su energía cinética. Se basa en la presión que resulta del impacto de los fotones sobre los átomos. También, se debe considerar la frecuencia con la que los átomos absorben los fotones y el efecto Doppler. Por medio de esta técnica se pueden obtener bajas temperaturas. Sin embargo, no son del orden de escala para lograr el condensado, por lo que se utiliza el segundo método del enfriamiento evaporativo. Esta técnica se basa en trampas magnéticas, que se generan por el potencial de campos magnéticos intensos.

Propiedades

El condensado de BEC es semejante a la luz láser. Con la diferencia de que, en vez de ser los fotones quienes se comportan de manera uniforme, son los átomos los que existen en una unión perfecta. Tal cual como una gota de agua condensada, los átomos de baja energía se fusionan para formar una masa densa e indistinguible. 

Algunas de las propiedades, como consecuencia de las bajas temperaturas en la formación del BEC son que debido a que la velocidad de las partículas es baja, la interacción entre estas es débil. Además, habrá formación de melaza óptica y bajo un potencial inducido se generarán vórtices.

Aplicaciones

Este nuevo estado de agregación de la materia, ofrece un sinfín de posibilidades. Algunos de sus usos son los siguientes:

  • Aplicaciones de la superfluidez y de la superconductividad.
  • Creación de nano – estructuras de gran exactitud.
  • Pequeñas simulaciones en el estudio de fenómenos cosmológicos específicos.
  • Localización de la intensidad del campo gravitatorio.
  • En la fabricación de relojes atómicos más precisos y estables.
  • Posibilidad de recrear fenómenos que ocurren a años luz. Logrando así ampliar el conocimiento de la mecánica cuántica.
  • Aplicaciones en áreas derivadas del fenómeno llamado “luz lenta” (tele portación, computación cuántica).

Un fenómeno cuántico

El condensado de Bose-Einstein es un fenómeno cuántico que ha permitido el desarrollo tecnológico. Sus aplicaciones van desde la construcción de láseres de alta precisión, la detección del campo gravitatorio. Incluso simulaciones cosmológicas a pequeñas escalas. Su importancia ha permitido el desarrollo de investigaciones que permite comprender la teoría cuántica.

La comprobación de la existencia del condensado de Bose – Einstein, es un instrumento de gran importancia para el análisis de nuevos fenómenos físicos en diversas áreas. Aun teniendo en cuenta los innumerables beneficios de este estado de la materia, el obtener temperaturas cercanas al cero absoluto presenta un inconveniente. Esta dificultad existe tanto para obtener dichas temperaturas como en su elevado costo de mantenimiento.

Por esta razón, actualmente la aplicación de esta teoría se basa principalmente en la investigación básica. Sin embargo, este descubrimiento puede llegar a ser tan exitoso como en su momento lo fue el láser, debido a que poseen muchas propiedades en común.

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