Lectura – La frontera de la física: el cero absoluto y los condensados

En la rama de la termodinámica, el cero absoluto es un punto misterioso y, en ciertos aspectos, inalcanzable en la escala de temperaturas. Este concepto está intrínsecamente ligado a la Tercera Ley de la Termodinámica y es esencial para comprender algunos de los fenómenos más sorprendentes en la física, como los condensados de Bose-Einstein y las temperaturas más bajas jamás alcanzadas experimentalmente.

La tercera ley de la Termodinámica

Propuesta por Walther Nernst en 1906, establece que es imposible alcanzar el cero absoluto en un número finito de pasos mediante un proceso finito. El cero absoluto es la temperatura más baja posible en el universo, alcanzando -273.15 grados Celsius, o 0 Kelvin. En esta temperatura, la energía térmica de las partículas alcanza su valor mínimo, y el movimiento molecular se detiene por completo. En otras palabras, es el punto de referencia más frío posible.

La imposibilidad de llegar al cero absoluto se debe a la forma en que la entropía, una medida del desorden en un sistema, se comporta a temperaturas muy bajas. A medida que la temperatura se acerca al cero absoluto, la entropía de un sistema tiende a cero, lo que significa que el sistema se encuentra en su estado más ordenado y su energía mínima. Para llegar a esta temperatura, se requeriría eliminar toda la entropía del sistema, lo cual es un proceso infinitamente largo y requeriría una cantidad infinita de energía.

Para que el universo en su conjunto alcanzara el cero absoluto, tendríamos que imaginar un escenario hipotético en el que todas las formas de energía se eliminaran o se transformaran de manera que no quede ningún vestigio de energía térmica. En la práctica, esto es imposible debido a la conservación de la energía y la existencia de la radiación de fondo de microondas, que mantiene el universo a una temperatura de aproximadamente 2.7 Kelvin. Por lo tanto, el cero absoluto en el universo es un estado inalcanzable.

Condensados de Bose-Einstein

Aunque el cero absoluto es inalcanzable en teoría, los laboratorios nos han brindado un vistazo asombroso a temperaturas extremadamente bajas mediante los condensados de Bose-Einstein. Este fenómeno, predicho por Satyendra Nath Bose y Albert Einstein en la década de 1920, se produce cuando una colección de partículas, como átomos o moléculas, se enfría hasta casi el cero absoluto. En este estado, las partículas se comportan de manera colectiva y se convierten en una onda de materia, compartiendo propiedades cuánticas idénticas.

Los condensados de Bose-Einstein exhiben propiedades únicas, como la superfluidez y la superconductividad, y han sido fundamentales para la investigación en campos como la física de la materia condensada y la física atómica. Aunque no alcanzan el cero absoluto, estos sistemas ultrafríos proporcionan un vistazo fascinante a las temperaturas más bajas posibles.

En 2009, el Dr. Wolfgang Ketterle, destacado físico y profesor en el Instituto de Tecnología de Massachusetts (MIT) logró alcanzar una de las temperaturas más bajas registradas: aproximadamente 450 femtokelvins (450×10⁻¹⁵ K). Para conseguirlo utilizó técnicas avanzadas de enfriamiento láser y trampas magnéticas en las siguientes etapas:

Trampa Magnética: En primer lugar, se atrapan átomos ultrafríos, por lo general átomos alcalinos como el sodio o el potasio, en una trampa magnética. La trampa magnética utiliza campos magnéticos para contener y enfriar los átomos.
Enfriamiento Láser Preliminar: Los átomos se enfrían aún más mediante enfriamiento láser. Esto implica el uso de haces láser para ralentizar y enfriar los átomos ya que la absorción y emisión de fotones por parte de los átomos reduce su energía cinética y, por lo tanto, su temperatura.
Enfriamiento Evaporativo: El proceso principal para llegar a estas temperaturas extremas es el enfriamiento evaporativo. En este método, los átomos más energéticos en la trampa magnética se eliminan gradualmente. Esto se logra reduciendo la profundidad de la trampa magnética o permitiendo que los átomos escapen lentamente de la trampa. A medida que los átomos más energéticos abandonan el sistema, los que quedan atrás tienen temperaturas más bajas.
Formación del Condensado de Bose-Einstein: A medida que se elimina la energía de los átomos más energéticos, el sistema se enfría drásticamente, y los átomos entran en el estado cuántico del condensado Bose-Einstein.
Medición de la Temperatura: Para medir la temperatura de un condensado de Bose-Einstein, se utilizan técnicas avanzadas de imagen y detección. La temperatura se puede inferir mediante la observación de la distribución de velocidades de las partículas en el condensado.