En el límite del cero absoluto
XVIII. A principios del siglo XX, el físico Guillaume Amontons concluyó que, mientras estudiaba la relación entre la temperatura y la presión de los gases, una disminución suficiente de la temperatura significaría la desaparición de la presión, por lo que la temperatura debía tener un mínimo. Así aparece por primera vez el concepto de cero absoluto. Y, según las estimaciones de Amontononons, este límite estaba a -240 ºC.
En el siglo siguiente, Lord Kelvin realizó cálculos más precisos y estableció una escala absoluta de temperatura. Los grados de esta escala tienen el mismo valor que los de la escala Celsius, pero la escala Kelvin parte del cero absoluto. El cero absoluto es, por tanto, 0 K, y en la escala Celsius -273,15ºC.
Para entender el cero absoluto, lo primero que hay que saber es la temperatura. La temperatura es la energía cinética de los átomos de la materia. Cuando la materia está caliente, los átomos o moléculas se mueven rápidamente, es decir, tienen una gran energía cinética.
Cuando la materia es sólida, los átomos están unidos entre sí y el movimiento es limitado. En un gas, sin embargo, podemos imaginar a los átomos como pelotitas volando en todas direcciones. Cuanto más calientes, más rápido se mueven las pelotas. Así, la temperatura indica la velocidad media de estas pelotas.
La disminución de la temperatura es, por tanto, un amortiguamiento de los átomos, y si lo hace suficientemente, llegaría un punto donde los átomos quedarían completamente. Pues como no puede haber velocidades inferiores a cero, tampoco puede existir una temperatura menor. Ahí está el cero absoluto.
Pero también es imposible detener completamente un átomo, al menos de acuerdo con el principio de incertidumbre de Heisenberg. Por tanto, el cero absoluto es un límite inalcanzable. La tercera ley de la termodinámica también dice que es imposible llegar a cero absoluto en un número finito de pasos. Sin embargo, los científicos han tratado de acercarse lo máximo posible y también lo han hecho bastante.
Acercando a cero
XIX. En el siglo XIX los investigadores descubrieron que la licuefacción de varios gases, como el hidrógeno, el oxígeno y el helio, permitía alcanzar temperaturas muy bajas. Y para 1908 se había alcanzado una temperatura de 4,2 K.
A estas temperaturas frías, algunos materiales obtienen 'superpoderes'. Algunos metales, por ejemplo, se convierten en superconductores, es decir, su resistencia a la corriente eléctrica disminuye a cero. También aparecen superfluidos, líquidos sin viscosidad. Es el caso de la licuefacción del helio.
Pero quizás el fenómeno más curioso sea el de los condensados Bose-Einstein. Se trata de un nuevo estado de la materia en el que todos los átomos se encuentran a un nivel cuántico de mínima energía.
Aunque teóricamente era conocido anteriormente, el primer Bose-Einstein condensado fue obtenido por Eric Cornell y Carl Weiman en 1995. Para ello fue necesario alcanzar temperaturas muy inferiores a las hasta entonces. Los átomos de rubidio se enfriaron primero por láser y luego continuaron enfriándose por "evaporación" hasta llegar a 170 nanocelvin (10-9 K). Meses después, Wolfgang Ketterle también consiguió otro condensado de Bosé-Einstein con átomos de sodio. Estos tres físicos fueron galardonados con el Premio Nobel de Física de 2001 por su trabajo en torno a los condensados Bose-Einstein.
Un equipo de investigadores del Instituto Tecnológico de Massachusetts, liderado por Ketterle, logró en 2003 el récord de temperatura más baja utilizando la misma técnica. Los átomos de cesio lograron enfriarse a 450 piccovirutas, es decir, a 0,00000000045 sobre el cero absoluto.
Enfriamiento por láser
Para aproximarse tanto al cero absoluto, como se ha dicho, los átomos se enfrían primero por láser. El láser es un haz de fotones en el que todos los fotones de un láser son iguales, es decir, tienen la misma energía.
Cuando un fotón de un determinado color o longitud de onda toca un átomo, éste absorbe el fotón y luego lo emite. El fotón tiene un momento y al aspirar ese momento afecta al átomo. Es decir, al aspirar un fotón un átomo que va recto hacia el láser, el momento del átomo disminuye tanto como el momento del fotón. O lo que es lo mismo, el fotón empuja al átomo en sentido contrario, por lo que lo amortigua. Este impulso es muy pequeño. Un fotón puede amortiguar 3 cm/s un átomo de sodio y los átomos de sodio tienen una velocidad media de 570 m/s a temperatura ambiente. Paralizar los átomos con los fotones equivale a detener una bola de bolo mediante el lanzamiento de pelotas de ping-pong. Pero con un láser se puede conseguir que el átomo absorba 10 millones de fotones por segundo.
Por otra parte, al emitir el fotón, el átomo sufre de nuevo un empujón, pero en este caso el fotón puede salir en cualquier dirección, al azar. De este modo, el momento o empuje debido a la emisión tras varios procesos de absorción, será 0. Por lo tanto, la absorción de fotones por los átomos en sentido contrario a su movimiento puede provocar una amortiguación de los mismos. Por el contrario, si un fotón atrapara por detrás a un átomo en movimiento, el momento del átomo aumentaría, es decir, se aceleraría y se calentaría.
Y teniendo en cuenta que en un gas los átomos se mueven en todas las direcciones, ¿cómo se puede conseguir que el fotón sólo se absorba en la dirección contraria al movimiento de los átomos? Ahí entra en juego el efecto Doppler. Según este efecto, un átomo que se mueve hacia el láser vería el color desplazado hacia el azul, mientras que uno que se aleja vería más rojizo de lo que es. Este cambio de color o longitud de onda depende además de la velocidad.
De este modo, el láser de un color determinado sólo afectará a los átomos más rápidos a los que se enfrentan, no a los más lentos o que no van en la dirección adecuada. A medida que los átomos se van amortiguando, será necesario reducir la longitud de onda del láser para atenuar más los átomos. Y si colocamos los láseres por todas partes, este efecto se consigue en todas las direcciones.
Trampas para átomos
Otro problema es que estos átomos, aunque atenuados, siguen en movimiento y si tocan las paredes se volverán a calentar. Para evitarlo se utilizan trampas láser. En las trampas láser, los láseres siempre empujan a los átomos hacia el centro, y el átomo que va a salir del centro siempre encuentra otro láser que le empuje de nuevo hacia el centro. Para ello se forma un campo magnético que cambia de centro a exterior. El campo magnético cambia ligeramente el color del láser y vuelve a suceder lo que antes ocurría con el efecto Doppler. Pero si antes el empuje provocado por el láser dependía de la velocidad y dirección del átomo, ahora dependerá de la posición.
Así, los átomos se pueden enfriar hasta un punto, aproximadamente 0,0001 K. Pero si se quiere enfriar más, hay que dejar los fotones a un lado. De hecho, los fotones siguen dando pequeños empujes a los átomos amortiguados, movimientos que no permiten alcanzar la temperatura deseada.
Para seguir reduciendo la temperatura, primero hay que conseguir que los átomos se mantengan en el centro sin tocar las paredes calientes, pero sin la ayuda de los fotones. Esto se hace con otra trampa, una trampa magnética. Se utiliza un potente campo magnético que actúa directamente sobre los átomos, y si el campo magnético es apropiado, los átomos pueden mantenerse en el centro.
Una vez obtenido, se puede seguir con la "evaporación" enfriando estos átomos fríos. En este caso, el principio es el mismo que cuando se enfría el caldo. Las partículas más energéticas del caldo se fugan en forma de vapor. Al hacerlo llevan un poco de calor y los átomos que quedan en el saldo se enfrían. Pues con los átomos fríos se hace lo mismo; a los que más energía tienen se les permite escapar de la trampa magnética. Para ello, el campo magnético disminuye progresivamente, los que tienen más energía se sacan y los que quedan se enfrían más.
Así se obtiene el condensado Bose-Einstein. No es fácil comprender lo que ocurre en este nuevo tipo de materias, ya que no tiene nada que ver con la materia común. Todos los átomos se encuentran en el mismo estado cuántico, al nivel más bajo. Esto significa que todos los átomos son exactamente iguales y que se mueven todos a la vez, en perfecta sincronización. Por tanto, es imposible separar un átomo del otro. Además, todos los átomos ocupan el mismo lugar, todos forman una masa común. Por eso hay quien les ha llamado superátomos.
La materia más fría jamás obtenida es la condensada del Bosé-Einstein del cesio o el superátomo de cesio. Sin embargo, este superátomo todavía tiene movimiento, tiene energía y, por tanto, tiene temperatura. No está del todo frío, pero está ahí, en el límite del cero absoluto.
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