condensado de Bose-Einstein

History

En 1924, el físico indio Satyendra Nath Bose envió a Einstein un artículo sobre una nueva estadística para partículas de luz. Einstein comprendió de inmediato la importancia de la idea y la extendió a los átomos, mostrando que, con suficiente enfriamiento, el gas debería «condensarse» en el estado energético más bajo. Pero la realización experimental resultó extremadamente difícil. No fue hasta 1995 cuando Eric Cornell y Carl Wieman obtuvieron el primer condensado a partir de átomos de rubidio, enfriándolos a 170 nanokelvins. Por este descubrimiento, a ellos (junto con Wolfgang Ketterle) se les concedió el Premio Nobel.

How it works

Imagina un grupo de músicos afinando sus instrumentos. Mientras hay calor (temperatura ambiente), cada uno toca su propia nota: caos total. Pero al enfriarse, su «respiración» se ralentiza y empiezan a sincronizarse, hasta que suenan al unísono con una sola nota pura. Lo mismo ocurre con los átomos: a temperatura ambiente se mueven a distintas velocidades, pero al enfriarlos a nanokelvins sus ondas cuánticas se dilatan y se superponen, forzando a todas las partículas a ocupar un mismo nivel energético. El condensado se comporta como un solo objeto: incluso se puede «agitar» y hacerlo vibrar como una gota única.

History

En 1924, el físico indio Satyendra Nath Bose envió a Einstein un artículo sobre una nueva estadística para partículas de luz. Einstein comprendió de inmediato la importancia de la idea y la extendió a los átomos, mostrando que, con suficiente enfriamiento, el gas debería «condensarse» en el estado energético más bajo. Pero la realización experimental resultó extremadamente difícil. No fue hasta 1995 cuando Eric Cornell y Carl Wieman obtuvieron el primer condensado a partir de átomos de rubidio, enfriándolos a 170 nanokelvins. Por este descubrimiento, a ellos (junto con Wolfgang Ketterle) se les concedió el Premio Nobel.

How it works

Imagina un grupo de músicos afinando sus instrumentos. Mientras hay calor (temperatura ambiente), cada uno toca su propia nota: caos total. Pero al enfriarse, su «respiración» se ralentiza y empiezan a sincronizarse, hasta que suenan al unísono con una sola nota pura. Lo mismo ocurre con los átomos: a temperatura ambiente se mueven a distintas velocidades, pero al enfriarlos a nanokelvins sus ondas cuánticas se dilatan y se superponen, forzando a todas las partículas a ocupar un mismo nivel energético. El condensado se comporta como un solo objeto: incluso se puede «agitar» y hacerlo vibrar como una gota única.

History

La predicción teórica del BEC se remonta a los trabajos de Satyendra Nath Bose (1924) y Albert Einstein (1925). Bose dedujo la distribución para fotones sin límite clásico, y Einstein aplicó esa estadística a átomos no relativistas. Mostró que, por debajo de cierta temperatura, las propiedades del gas deberían cambiar drásticamente debido a la acumulación de partículas en el estado energético más bajo. Durante largas décadas, la búsqueda de las condiciones adecuadas (era necesario evitar la condensación en líquido y sólido) no dio resultados. El avance se produjo en 1995: el grupo de Eric Cornell y Carl Wieman, del JILA (EE. UU.), enfrió por primera vez una nube de átomos de rubidio-87 a 170 nanokelvins y observó la transición de fase al BEC; poco después, Wolfgang Ketterle, del MIT, obtuvo un condensado de átomos de sodio. Estos experimentos abrieron el campo de los gases cuánticos y valieron a sus autores el Premio Nobel de Física de 2001.

How it works

A altas temperaturas, el gas de bosones se describe mediante la estadística de Maxwell-Boltzmann. Al bajar la temperatura, la longitud de onda de De Broglie de las partículas aumenta: λdB ∝ 1/√T. Cuando λdB supera la distancia media entre partículas d (es decir, cuando nλdB³ ~ 1, o más exactamente nλdB³ = ζ(3/2) ≈ 2,612), los paquetes de onda de los átomos comienzan a solaparse y es necesario aplicar la estadística cuántica de Bose-Einstein. A diferencia de los fermiones, para los bosones el principio de exclusión de Pauli no prohíbe la ocupación múltiple de un mismo estado cuántico; más aún, a bajas temperaturas esto se vuelve energéticamente favorable. Se produce una transición de fase y un número macroscópico de partículas se acumula en el estado fundamental. Este condensado se describe mediante una función de onda única que satisface la segunda ley de la termodinámica: la entropía del sistema disminuye durante la transición, pero se compensa con la cesión de calor al entorno. La ecuación de Gross-Pitaevskii incorpora esta función de onda y tiene en cuenta la débil interacción entre los átomos.

Open problems & fun facts

Creación de un condensado estable en condiciones de gravedad y eliminación de todo tipo de campos externos.; Estudio de la turbulencia cuántica en los BEC y su relación con la hidrodinámica clásica.; Desarrollo de dispositivos prácticos basados en BEC: láseres atómicos, giróscopos de precisión y simuladores cuánticos.

💡 El condensado de Bose-Einstein se puede utilizar para crear un «láser atómico»: un haz de átomos que se mueven en perfecta sincronía. Ese haz ya se emplea en relojes atómicos de altísima precisión y en interferómetros.