Los condensados de Bose-Einstein

Estamos acostumbrados a pensar que el dominio de la física cuántica es el microscópico, el de las partículas elementales, los átomos o las radiaciones, pero no es así, aunque es cierto que históricamente estos fenómenos fueron los responsables de su génesis. Una de sus manifestaciones a nivel macroscópico son los llamados “condensados de Bose-Einstein”, que acaban de ser noticia porque en un experimento diseñado por el Jet Propulsion Laboratory del Instituto Tecnológico de California, y llevado a cabo en el denominado Cold Atom Lab instalado en la Estación Espacial Internacional (ISS), se han podido estudiar algunas de sus propiedades, que en laboratorios terrestres son muy complicadas de investigar, y algo menos en el espacio, donde se cuenta con la ventaja de la gravedad cero y donde existe mayor facilidad para conseguir temperaturas muy bajas. Los resultados se acaban de publicar en Nature (Robert Thompson y otros, “Observación de condensados de Bose-Einstein en un laboratorio de investigación que orbita la Tierra”).

Pero antes de decir algo sobre las propiedades de estos condensados, a los que se considera el quinto estado de la materia, después del sólido, líquido, gaseoso y plasma, explicaré un poco de su historia, asociada a los científicos que le dan nombre. Es una historia interesante porque muestra que, a pesar de no ser frecuente –pero tampoco insólito– en ocasiones los avances científicos siguen caminos diferentes a los habituales. En este caso, el camino que siguió un científico que, temeroso de que el resultado al que había llegado no fuese apreciado por otros, se aventuró a pedir ayuda al hombre que más respetaba. El 4 de junio de 1924 Satyendra Nath Bose (1894-1974), un físico prácticamente desconocido fuera de la India, que trabajaba en la Universidad de Dacca, escribió a Albert Einstein, ya entonces la gran estrella de la física: “Me atrevo a enviarle el artículo adjunto para su conocimiento y opinión. Estoy ansioso de saber lo que piensa de él”. Y después de mencionar brevemente su contenido, añadía: “No sé suficiente alemán para traducir el artículo. Si usted piensa que merece ser conocido le agradecería si dispone que sea publicado en el Zeitschrift für Physik. Aunque sea un completo extraño para usted, no siento ninguna duda en realizarle tal petición. Porque todos somos sus discípulos, habiéndonos beneficiados de sus enseñanzas a través de sus escritos”.

Las especiales condiciones de la estación espacial internacional han permitido estudiar las sorprendentes propiedades de los sistemas cuánticos

El manuscrito que Bose envió a Einstein incluía una nueva forma, más satisfactoria, de deducir la ley de radiación de un cuerpo negro, que Max Planck había obtenido de manera semiempírica en 1900, ley que puso en marcha la física cuántica. Einstein entendió perfectamente la importancia del trabajo de Bose, y además se dio cuenta de algo que éste no apreció. Tradujo el artículo de Bose, hizo que se publicara, y añadió una “nota del traductor” señalando que él mismo iba a desarrollar algunas de las consecuencias del trabajo.Y así lo hizo en dos artículos que aparecieron en 1925 y en los que señaló que en un gas de fotones (las partículas de masa nula, los “cuantos” de energía que según la física cuántica forman la luz) se podría producir una “condensación” o en otras palabras, que un grupo de fotones (y también otras partículas elementales, los denominados “bosones”, que comparten propiedades de los fotones) podía actuar como si fuese una unidad, sin que entre ellos pareciese que existieran fuerzas de interacción. Además predijo que “si la temperatura desciende lo suficiente” se produciría en ese gas “una caída brutal y acelerada de la viscosidad en el entorno de una cierta temperatura”, que estimaba para el helio líquido en unos 2 grados kelvin (equivalentes a 271,15 grados centígrados bajo cero). Se refería a la superfluidez, una propiedad que, junto ala superconductividad, acompaña a los condensados de Bose-Einstein.

Para comprender mejor la relación entre la condensación de Bose-Einstein y los aspectos macroscópicos de la física cuántica hubo que producir “superconjuntos” de sistemas atómicos que se comportan como una unidad y son perceptibles macroscópicamente. Si se enfrían lo suficiente, las longitudes de onda asociadas a esos sistemas serán tan grandes que se “solaparán”, perdiendo así sus identidades individuales y creando un estado cuántico macroscópico. Semejante logro se alcanzó en 1995. Aquel año, un grupo de físicos de la Universidad de Colorado, liderados por Eric Cornell y Carl Wieman, en una colaboración entre su universidad y el National Institute of Standards and Technology, confinando átomos con láser, atrapándolos con una “trampa magnética” y enfriándolos mediante evaporación, lograron formar un condensado de Bose-Einstein en un gas diluido formado por 2.000 átomos de rubidio. Unos meses después, el equipo de Wolfgang Ketterle en el MIT consiguió otro en sodio. Los tres investigadores principales, Cornell, Wieman y Ketterle, recibieron el Nobel de Física de 2001.

Los aniversarios, a los que tan aficionados somos en la actualidad, no pasan de ser coincidencias numéricas con escaso significado, pero el experimento realizado en la Estación Espacial Internacional, cuando se cumplen 95 años de la extrapolación que Einstein hizo de la aportación de Bose y 25 años del trabajo de Cornell y Wieman, ayuda a no solo a rellenar noticias sino también a educar, pero sobre todo constituye un avance importante en la comprensión delas propiedades macroscópicas de la física cuántica, ya que las condiciones existentes en la Estación Espacial han permitido que los condensados permanezcan estables durante algo más de 1 segundo, mientras que en un experimento anterior al lanzamiento se mantenían únicamente 40 millonésimas de segundo, y que contengan el triple de átomos de rubidio, con lo que las propiedades cuánticas se pueden medir con mayor precisión. Un paso más en la exploración de un mundo científico poco conocido todavía: el de los sistemas cuánticos macroscópicos. En alguna ocasión he manifestado la poca fe que tengo en la Estación Espacial Internacional. Al menos en esta ocasión no ha sido así. Justo es reconocerlo.