Los científicos han usado láseres para enfriar átomos de un elemento químico conocido como iterbio.

El experimento no es solo un gran logro realizado en la mesa de laboratorio. También “abre la puerta al desarrollo de nuevos materiales con propiedades inimaginables”, dice Francisco José Torcal-Milla, profesor del Departamento de Física Aplicada de la Universidad de Zaragoza, España.

A temperaturas cercanas al cero absoluto, el helio, por ejemplo, “se vuelve superfluido, estado caracterizado por la ausencia total de viscosidad. Esto significa que este elemento puede atravesar paredes o cualquier tipo de material, poroso o no, y trepar por las paredes de los contenedores que lo contienen”, explicó el investigador.

Uno de los autores del experimento y del estudio que lo describe es el físico atómico mexicano Eduardo Ibarra García Padilla quien, tras completar su doctorado en la Universidad de Rice, ahora es investigador posdoctoral en la Universidad de California en Davis, también en Estados Unidos.

Ibarra explica que hay estados de la materia a los que solo se puede acceder a temperaturas más bajas.

Y lograr estas temperaturas y estados nos permitirá comprender mejor problemas de física como “la superconductividad en óxidos de cobre, que tendrá importantes aplicaciones tecnológicas”.

Investigadores de Estados Unidos y Japón han reducido la temperatura de los átomos de iterbio a niveles extremos. Este es uno de los elementos químicos que se encuentran en la tabla periódica.

Para ello, utilizaron “técnicas de evaporación y enfriamiento por láser”, explicó Ibarra.

“El enfriamiento por evaporación es como cuando tomas una sopa muy caliente. Lo que haces es soplar la sopa. Esto elimina las partículas más calientes”, compara.

“Los experimentos hicieron algo similar: en el primero usamos una trampa de luz en la que quedan atrapados los átomos; en el segundo eliminamos los átomos más calientes para enfriar el sistema”.

Pero, ¿qué son estas trampas de luz?

Torcal-Milla afirma que el procedimiento se realiza con la más alta tecnología.

“Todo comienza con la sublimación (conversión directa de estado sólido a gaseoso, sin pasar por líquido) de los átomos de iterbio. Este procedimiento se suele realizar mediante un láser de alta potencia sobre un bloque sólido de este elemento, provocando una pequeña cantidad del el gas se evapora”.

“Una vez obtenido el gas diluido, se almacena en una cámara donde se ha creado un vacío extremo y los átomos son atrapados por trampas ópticas, que son como una especie de ‘encaje’ de luz”.

“Posteriormente, estas moléculas gaseosas son golpeadas por rayos láser que provienen de diferentes direcciones. Cuando los fotones del láser interactúan con los átomos de gas, que están en movimiento, se produce una desaceleración, que disminuye la velocidad media y, en consecuencia, su temperatura”.

El laboratorio donde se alcanzó la temperatura récord se encuentra en la Universidad de Kyoto. El trabajo fue dirigido por los científicos Yoshiro Takahashi y Shintaro Taie.

“Aportamos la parte teórica y numérica del estudio, que nos permite medir las temperaturas a las que se realizaron los experimentos”, dice Ibarra.

Uno de los sitios más conocidos para pruebas de baja temperatura es el Laboratorio de Átomos Fríos (CAL), ubicado en la Estación Espacial Internacional.

CAL tiene la ventaja de trabajar en gravedad cero, aunque Ibarra señala que esto no fue necesario para los estudios realizados esta vez.

Torcal-Milla cree que sería interesante llevar a cabo estos experimentos a bordo de la Estación Espacial Internacional, porque, “aunque la interacción gravitatoria que experimentan los átomos individuales en relación con la Tierra es pequeña, tanto más importante cuanto menores son las interacciones con el resto del planeta”.

Ibarra explicó que en la naturaleza “hay dos tipos de partículas, los bosones (como los fotones en un láser) y los fermiones (como los electrones en un sólido), que se comportan de manera diferente a temperaturas muy bajas”.

En el último experimento, los científicos utilizaron un isótopo de iterbio llamado 173Yb, que es un fermión.

A temperaturas tan bajas como las alcanzadas, la materia se comporta de manera extraordinaria.

Torcal-Milla explica que, en el caso de los bosones, todos caen en un estado de mínima energía en el que se vuelven indistinguibles. El fenómeno se conoce como condensación de Bose-Einstein.

Los fermiones (partículas fundamentales que componen la materia) se convierten en lo que se conoce como gas o líquido de Fermi, capaz de escalar paredes o incluso atravesarlas.

Los ejemplos más conocidos de comportamiento extraño a bajas temperaturas son la superconductividad y la superfluidez.

La superconductividad ocurre cuando una sustancia es capaz de transmitir electricidad sin resistencia.

La superfluidez es la pérdida total de viscosidad de una sustancia. Este estado de la materia puede ser alcanzado por un líquido de Fermi a temperaturas muy bajas, cercanas al cero absoluto.

A estas temperaturas extremas casi todo se congela, excepto algunos isótopos de helio, que se vuelven superfluidos. En este estado pueden trepar por las paredes del recipiente que lo contiene.

Ibarra estima que a medida que alcancemos temperaturas más bajas, aparecerán diferentes fases exóticas de la materia.

Y pueden tener propiedades magnéticas o de transporte completamente diferentes a las observadas con otros materiales hasta ahora.

En el caso de una futura superconductividad de los óxidos de cobre, por ejemplo, sería posible utilizar este atributo para la levitación y el movimiento de trenes.

Para Torcal-Milla, “cualquier experimento que avance en el conocimiento importa, por pequeño que sea el descubrimiento”.

“Si pudiéramos decirles a nuestros abuelos que, con un pequeño dispositivo en el bolsillo, podemos acceder a cualquier información y además hablar instantáneamente e incluso ver a una persona al otro lado del mundo, nos tratarían como locos o charlatanes”, dijo. el defiende

“Algunos descubrimientos tardarán en tener una aplicación práctica, pero no hay duda de que nos revelarán cosas nuevas que aún no podemos predecir”, añade.

“Me pregunto si el estudio de estos sistemas indicará una nueva Física capaz de guiarnos hacia la teoría definitiva que unifique todas las fuerzas fundamentales, o de revelar las propiedades microscópicas de la materia, aún desconocidas”, concluye.

¿Has visto nuestros nuevos videos en YouTube? ¡Suscríbase a nuestro canal!