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CURIOSIDADES DE LA CIENCIA

La nueva materia exótica

Científicos de Estados Unidos publican en la revista especializada Physical Review Letters el hallazgo de un nuevo estado de la materia. Se llama gas fermiónico y se erige como el sexto estado de la materia conocido. De momento no tiene ninguna utilidad práctica, pero será de gran ayuda para los físicos que intentan dilucidar las paradójicas e incompresibles para los profanos leyes de la mecánica cuántica.

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Éstas dicen básicamente que la materia se comporta en forma de ondas en lugar de partículas individuales, que es como se presentan ante nuestros ojos. Para materializar el sexto estado de la materia, los científicos de la Universidad de Colorado en Boulder y del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología partieron de medio millón de átomos de potasio y los congelaron a la temperatura más fría que se puede alcanzar en un laboratorio terrestre.
 
Hasta recientemente, los escolares habían aprendido que la materia podría encontrarse en tres formas fácilmente distinguibles: la sólida, la líquida y la gaseosa. Cada uno de estos tres estados presenta unas propiedades que le son características. Así, los sólidos poseen una forma y volumen propios: en sus entrañas existe un equilibrio entre las fuerzas de repulsión y atracción que los átomos ejercen entre sí, por lo que permanecen fuertemente ligados, aunque son capaces de realizar movimientos vibratorios en torno a posiciones de equilibrio que permanecen fijas. En los líquidos, sin embargo, las fuerzas de cohesión entre los átomos son más débiles y, por tanto, éstos tienden a adoptar la forma del recipiente que los contiene, aunque, eso sí, poseen un volumen propio que se mantiene prácticamente constante incluso cuando el líquido es sometido a grandes presiones externas. En el tercer estado, las fuerzas de atracción entre los átomos del gas son casi nulas. Las moléculas gaseosas se mueven con total libertad y llenan la totalidad del espacio en que están enclaustrados.
 
Durante siglos, estos tres estados terrenales han sido la base de importantes avances de la ciencia y la tecnología. Sin ir más lejos, el estudio de los gases sirvió de catalizador para establecer los fundamentos de la química moderna y los avances en la física sólida han permitido poner a prueba los postulados de la mecánica cuántica, aparte de abrir perspectivas de su aplicación en el terreno de los nuevos materiales y la electrónica. Ahora bien, la materia puede adoptar otros estados cuando las condiciones se extreman. Llegados a este punto, la materia modifica su composición y propiedades; y se rige por leyes que no se dan en los sólidos, líquidos o gases. Éste es el caso del cuarto estado de la materia, el llamado plasma. Surge cuando una masa gaseosa se ha calentado hasta una temperatura tan elevada que sus átomos y moléculas son despojados de su envoltura de electrones y se convierten en iones. Esta forma de materia aparece de forma natural en el espacio interestelar y en la ardiente atmósfera de las estrellas: de hecho, el Sol es esencialmente un enorme balón de plasma. Nuestros científicos también son capaces ahora de fabricar plasma en el laboratorio, caso de los tubos de descarga y de los reactores termonucleares experimentales.
 
Pero en los años setenta, Albert Einstein y el físico indio Nath Bose propusieron un quinto estado de la materia que aparecía tras ultraenfríar un gas. En estas gélidas condiciones, los átomos pierden energía, se frenan y se unen para originar un superátomo insólito. Fue llamado condensado de Bose-Einstein o cubo de hielo cuántico. Pero la predicción de la pareja de científicos tardó un par de décadas en hacerse realidad. En 1995, el físico Eric Cornell y su colega Carl Wieman, del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología, anunciaron en la revista Science la materialización del quinto estado. Para lograrlo, retuvieron 2.000 átomos de rubidio en una jaula magnética, cuyos barrotes estaban confeccionados por los campos magnéticos generados por unos imanes, y los sometieron a una temperatura jamás antes alcanzada de 180 grados nanokelvin, es decir, una milmillonésima de grado por encima del cero absoluto. Recordemos que éste se sitúa en los 273,15 grados centígrados bajo cero.
 
En estas condiciones extremas, según postularon Einstein y su colega indio, los átomos se frenan casi hasta detenerse. En una habitación a temperatura ambiente, los átomos de un gas se mueven generalmente a una velocidad de 1.600 kilómetros por hora; por el contrario, los de rubidio enjaulados apenas se desplazan unos centímetros. Esta situación de inmovilidad lleva a que las ondas cuánticas que describe cada átomo se fusionen hasta que todo el gas se encuentre en el mismo estado cuántico. El cubito de hielo tenía un diámetro de 0,00000002 milímetros. Pero cuatro meses después y de manera independiente, Wolfgang Ketterle, del MIT, obtuvo un condensado de átomos de sodio cien veces más grande, lo que le permitió iniciar una serie de experimentos que condujo a la obtención del primer láser atómico.
 
Ahora sus colegas Deborah S. Jin, Markus Greiner y Cindy Regal han dado un paso más y también, gracias a la ultracongelación de partículas, han encontrado una nuevo estado de la materia, el sexto: el gas fermiónico. Como aseguran estos físicos, el hielo cuántico está compuesto de bosones, una clase de partículas que inherentemente son gregarios y sus leyes estadísticas tienden a favorecer la ocupación múltiple de un mismo estado cuántico. Sin embargo, el gas fermiónico está completamente integrado por fermiones. Éstos, a diferencia de los bosones, son poco sociables y por definición nunca dos de ellos pueden ocupar el mismo estado de movimiento. Un par de fermiones idénticos no pueden ocupar el mismo estado cuántico. A altas temperaturas, las conductas de estas partículas elementales son casi imperceptibles. Sin embargo, cuando se enfrían tienden a buscar los estados de más baja energía y es en este instante cuando se acentúa el carácter antagónico de bosones y fermiones. ¿Pero cómo se comportan los fermiones ultracongelados?
 
Para resolver el enigma, los físicos de Boulder usaron rayos láser para atrapar una pequeña nube de 500.000 átomos de potasio. Limitando su movimiento natural, enfriaron los átomos a 50.000 millonésimas de grado por encima del cero absoluto. Pos su carácter arisco, los fermiones de esos átomos deberían repelerse, pero no fue así. Al aplicar un campo magnético a los átomos superfríos, éstos se juntaron brevemente en parejas y crearon un maravilloso condensado. Según los padres del nuevo estado, este hallazgo podría dar pie a una amplia gama de aplicaciones prácticas. Por ejemplo, el gas fermiónico ofrece una nueva línea de investigación en el campo de la superconductividad, el fenómeno por el que la electricidad discurre sin resistencia alguna.
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