El punto más frío del Universo está en México

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En el Laboratorio de Materia Ultrafría del Instituto de Física de la Universidad Nacional Autónoma de México (UNAM), se ha logrado bajar la temperatura de un gas a tan solo 20 mil millonésimas (0,00000002) por encima del cero absoluto: -273,15 grados Centígrados, o 0 grados Kelvin (una temperatura que según confirman estudios recientes, es imposible de alcanzar). Es decir, han conseguido producir el primer condensado de Bose-Einstein en México. Se estima que ni siquiera el débil resplandor del Big Bang, la gran explosión que dio origen a todo, fuera tan gélido.

“No existe ningún lugar en el universo donde se alcancen temperaturas así de bajas a través de un proceso natural. De hecho, podemos afirmar que las temperaturas más bajas del universo están en el planeta Tierra en laboratorios como el nuestro; nosotros somos los primeros en México en aproximarnos tanto al cero absoluto y en nuestro laboratorio se encuentra la materia más fría en nuestro país”, explica a la Agencia Informativa Conacyt el físico de la UNAM Jorge Amin Seman Harutinian, responsable del proyecto.

El objetivo de enfriar hasta tal punto un gas es estudiar qué ocurre en la materia cuando la temperatura es tan baja y, como resultado, alcanza su nivel minimo de energía. En esta situación, los átomos que componen el gas comienzan a comportarse de manera idéntica, lo que da origen a fenómenos como la superfluidez, en la que la viscosidad del gas desaparece y los átomos pueden fluir sin resistencia.

En el centro de la imagen, se muestra la cámara de ultra-alto vacío en donde el condensado es producido. Arriba y abajo de esta se pueden apreciar (en color anaranjado) los electroimanes necesarios para producir los campos magnéicos durante el experimento. /Conacyt

Cómo acercarse al cero absoluto

Para alcanzar esta temperatura, el primer requerimiento fue que el objeto a enfriar no estuviera en contacto físico con ningún otro elemento, para evitar la transmisión de energía entre ellos. Esto se consiguió construyendo "un sistema de ultra-alto vacío: una cámara hecha de metal que cuenta con ventanas de vidrio que permiten observar lo que ocurre adentro. Esa cámara está conectada a potentes bombas de vacío que extraen por completo el aire de su interior para generar un ambiente totalmente limpio y aislado del exterior”, explica Seman Harutinian. 

En el interior de la cámara colocaron un segundo recipiente para contener el material, que en este caso se trataba de gas de litio (Li). El primer paso del experimento consistió en calentar ese pequeño recipiente para producir un vapor muy tenue que no destruyera la condición de ultra-alto vacío. "Una vez que obtuvimos el vapor compuesto por átomos de litio, lo aislamos en una región de la cámara, una fracción alejada de las paredes del contenedor para implementar las técnicas de enfriamiento”, relata el experto. 

Aislar una fracción del gas, alejada de las paredes del contenedor, permite aplicar las técnicas de enfriamiento solo en aquellas moléculas que no están en contacto con otro objeto, en este caso con el propio contenedor. Para mantener así de aislado al grupo de moléculas, se implementaron campos magnéticos con electroimanes; creando "una especie de botella con campos magnéticos que nos permite contener millones de esos átomos alejados de las paredes del recipiente”, indica. 

Una trampa para los átomos fríos

La primera etapa de enfriamiento se realizó a través de luz láser, aprovechando la capacidad que existe entre la luz y la materia para intercambiar energía. Normalmente ese intercambio se da de la luz hacia la materia, es decir, la luz calienta la materia; no obstante, controlando sus propiedades (color, polarización y potencia) es posible hacer que la energía fluya en sentido inverso para que la materia transfiera energía a la luz, derivando en un proceso de enfriamiento. Esa combinación de luz láser y campos magnéticos les permitió producir algo que se conoce como “trampa magneto-óptica”, con la que  disminuyeron la temperatura del gas del nivel ambiente a solo unas millonésimas por encima de 0ºK.

Trampa magneto-óptica de litio. El gas capturado en esta trampa es la mancha brillante que se aprecia en el centro de la imagen; se encuentra a una temperatura de 50 microkelvins, es decir, a una fracción de millonésimos de grado arriba del cero absoluto. /Conacyt

Pero como la condensación del Bose-Einstein ocurre a temperaturas mil veces más bajas, se utilizó una segunda técnica de enfriamiento que consistió en apagar la luz láser de esta trampa magneto-óptica mientras los átomos permanecen atrapados en la trampa magnética. Al permanecer dentro, los que tienen mayor energía escalan a las partes más altas, mientras que los más fríos se mantienen en la parte baja. El siguiente paso consiste en reducir las dimensiones de la trampa, para ir gradalmente quedándose solo con los más fríos. "Este proceso, reducir cada vez más el poder de confinamiento de la trampa, permite seleccionar a los más fríos en cada repetición hasta reducir la temperatura mil veces”, concreta el científico. 

Cuando el equipo logró librarse de la mayor cantidad posible de átomos calientes a través de ese proceso conocido como enfriamiento evaporativo, logró también llegar al condensado de Bose-Einstein. Ahora que cuentan con la tecnología y perfeccionaron la técnica, podrán replicar el experimento constantemente para obtener el condensado (uno nuevo cada 15 segundos) cuantas veces sea necesario y estudiarlo desde diferentes perspectivas, afirman. 

Una vez que se logran temperaturas tan bajas, cada átomo que compone el sistema cuenta con la mínima energía posible y gracias a que todos tienen la misma energía, muy cercana al cero absoluto, se comportan de manera idéntica. Esto tiene como consecuencia que las propiedades cuánticas de los átomos se manifiesten a escala macroscópica como la superfluidez. “El entendimiento del fenómeno de la superfluidez uno de los principales objetivos del laboratorio. Específicamente, se buscará producir turbulencia en el superfluido y entender cómo es que la mecánica cuántica restringe y afecta al flujo turbulento. La turbulencia, en general, es un importante problema de la física que se encuentra aún abierto y consideramos que nuestro laboratorio podrá hacer contribuciones fundamentales en el entendimiento de este fenómeno”, concluyen los investigadores. 

Hasta hace poco, el lugar más frío del Universo se encontraba fuera de las fronteras de nuestro planeta, a unos 5.000 años luz. Allí hay una extraña y misteriosa nebulosa, la nebulosa del Boomerang, que registra una temperatura promedio de menos de 1 Kelvin (-272,15 ° C).  Durante décadas, los científicos han intentado explicar cómo es posible que esta nube de gas mantenga temperaturas más frías que el espacio vacío, pero ahora finalmente tienen una respuesta: según la investigación, que fue publicada en junio, puede ser que una pequeña estrella se haya hundido en el corazón de una gigante roja, provocando la expulsión de la mayor parte de su materia en un chorro ultrafrío de gas y polvo. Este chorro se expande tan rápidamente, a más de 150 kilómetros por segundo (alrededor de 10 veces más rápido de lo que una sola estrella podría producir por sí misma) que su temperatura ha caído estrepitosamente.

Beatriz de Vera

Esta noticia ha sido publicada originalmente en N+1, ciencia que suma

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