¿Qué son los Condensados Bose-Einstein? ¿Un nuevo estado de la materia?
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Las estrellas de neutrones son muy extrañas. Tienen aproximadamente el tamaño de la Isla de Manhattan y sin embargo, son más masivas que el Sol. Una cucharada del material de una de ellas pesaría cerca de mil millones de toneladas. Por fuera las estrellas de neutrones son frágiles. Están cubiertas por una corteza rica en hierro. En su interior son fluidas. Cada una contiene un océano de neutrones, los restos de los átomos destrozados por una explosión de supernova. Todo el conjunto gira cientos de veces por segundo, generando poderosos huracanes cuánticos dentro de la estrella.
Las estrellas de neutrones y sus parientes, las enanas blancas y los agujeros negros, son formas extremas de la materia a las que muchos científicos quisieran dar una mirada, si sólo pudiesen poner una en su laboratorio. ¿Pero cómo? Investigadores que experimentan con una nueva clase de materia llamada condensados de Bose-Einstein, podrían haber encontrado la forma.
Los condensados de Bose-Einstein (BECs por sus siglas en inglés) son ondas de materia que se forman cuando átomos muy fríos se unen para formar una sola "burbuja mecánica cuántica". Contienen cerca de diez millones de átomos en una gota de 0,1 mm de largo. Los físicos Eric Cornell (NIST), Carl Wieman (Universidad de Colorado) y Wolfgang Ketterle (MIT) que compartieron el Premio Nobel 2001 en Física, crearon los primeros, a partir de vapores gaseosos, en 1995.
Los BECs y las estrellas de neutrones son diferentes. Los BECs son 100 mil veces menos densos que el aire, y son más fríos que el espacio interestelar. Mientras que por su lado, las estrellas de neutrones pesan cerca de 100 millones de toneladas por centímetro cúbico, y sus interiores son 100 veces más calientes que el núcleo del Sol. ¿Qué pueden tener en común entonces? Ambos son superfluidos, esto es, líquidos que fluyen sin fricción o viscosidad.
Tal
vez el mejor ejemplo de un superfluido es el
helio-4 enfriado a temperaturas de menos de
2,2º K (-271º C). Si sostuviera en su mano
una taza, bien aislada, de este tipo de
helio, e hiciera girar lentamente la taza,
el resbaladizo helio del interior no giraría
con la taza.
Sin embargo, los superfluidos si pueden girar. Y cuando lo hacen, ocurren cosas extrañas. Los superfluidos no pueden girar como un cuerpo rígido para girar, deben arremolinarse. Hablando entre físicos él diría que "el bucle del campo de velocidad debe ser cero". Este principio físico básico, es válido tanto para los BECs como para las estrellas de neutrones.
Durante el año 2001, continuando con experimentos similares realizados en 1999 por investigadores de Colorado, EE.UU. y Francia, Ketterle y sus colegas del MIT decidieron hacer girar un BEC y ver que ocurría. Ketterle afirmó que no había pensado en las estrellas de neutrones cuando realizó el experimento: "Los BECs son una nueva clase de materia, y queríamos aprender más sobre éstos. Al hacerlos girar, los obligamos a revelarnos algunas de sus propiedades". Simular el interior de una extraña estrella resultaría en un giro inesperado del experimento.
El equipo de Ketterle apuntó un rayo láser giratorio sobre el condensado, el cual era sostenido por magnetos. Comparó el proceso a "hacer girar una pelota de ping-pong golpeándola con una pluma". De pronto apareció un conjunto de remolinos.
"Cuando vimos los vórtices, la impresión nos dejó sin aliento" recuerda Ketterle. Otros investigadores habían visto este tipo de remolinos antes (en el helio líquido y en los BECs) pero nunca habían visto tantos a la vez. El conjunto de tornados cuánticos era exactamente lo que los astrónomos habían sospechado, desde hace tiempo, que podía girar dentro de las estrellas de neutrones.
Nadie ha visto jamás vórtices de superfluidos dentro de una estrellas de neutrones, pero teníamos buenas razones para sospechar que existían: Muchas estrellas de neutrones son pulsares, es decir, emiten un rayo de radiación a medida que giran. El efecto es semejante al de un faro: vemos un destello de luz cada vez que el rayo apunta hacia nosotros. Los pulsos llegan a intervalos tan regulares que rivalizan en precisión con los relojes atómicos. De hecho, cuando Jocelyn Bell Burnell y Tony Hewish descubrieron los pulsares en 1967, ¡se preguntaron si no estarían recibiendo señales inteligentes de extraterrestres! Sin embargo, en ciertas ocasiones, los pulsares "se echan a perder " como un reloj barato que de pronto comienza a correr muy rápido. Es posible que estas fallas se deban a la formación, o al decaimiento, de vórtices de superfluidos dentro de la estrella, o quizás a que los vórtices rozan contra la corteza de la estrella.
Los vórtices giratorios en los BECs dan a los científicos una oportunidad para estudiar directamente este tipo de procesos sin tener que viajar a instalarse en una estrella lejana.
Las posibilidades no terminan allí: Si los átomos del BEC pudieran atraerse entre sí, entonces todo el condensado puede colapsar. De hecho, algunas personas han predicado que la física es la misma que la de una estrella de neutrones colapsando. Por lo que de alguna forma, es como construir una estrella de neutrones miniaturizada, en una pequeña cámara de vacío.
Los BECs se forman con la ayuda de trampas magnéticas. Carl Wieman y sus colegas del NIST descubrieron que pueden hacer que los átomos dentro de un BEC se atraigan o repelan entre sí "sintonizando" el campo magnético de la trampa. El año pasado, probaron ambas: primero hicieron un BEC que se auto-repele. Se expandió suavemente, como se esperaba. Luego, hicieron un BEC levemente auto-atrayente. Comenzó a encoger, también como se esperaba, pero de pronto hizo algo completamente inesperado.
¡Explotó!Muchos de los átomos del BEC salieron disparados hacia afuera, algunos en capas esféricas, otros en chorros delgados. Parte del material expulsado desapareció completamente, un misterio aún no resuelto. Otros permanecieron formando un núcleo más pequeño en el mismo lugar que ocupaba el condensado original.
Para un astrofísico esto es demasiado parecido a una explosión de supernova. Por lo que Wieman, la llamaron una "Bosenova" (se pronuncia "bose-a-nova"). Aunque la explosión liberó la energía suficiente como para elevar la temperatura del condensado sólo una 200 mil millonésima parte de un grado, una supernova real habría sido 1075 veces más poderosa. Pero por algo hay que comenzar.
Si los investigadores logran construir una estrella de neutrones en miniatura, también podrían aprender a hacer enanas blancas y agujeros negros. Es preciso aclarar que estas micro-estrellas no constituyen un peligro para los terrícolas. Son muy pequeñas y su gravedad demasiado débil como para hacer girar a los objetos alrededor de ellas. Serían mascotas que sin duda, serían también las preferidas entre muchos físicos y astrónomos.