Diez años de condensados de Bose-Einstein

Aunque existían precedentes de aquel logro de Carl Wieman y Eric Cornell en el JILA (Joint Institute for Laboratory Astrophysics) de Boulder, Colorado, en la superconductividad de los metales y en la superfluidez del helio, ésta era la primera vez que se obtenía un condensado de Bose-Einstein en condiciones esencialmente ideales, esto es, en gases muy diluidos donde las colisiones entre átomos son fuertes pero poco frecuentes. Habían pasado 70 años desde que Albert Einstein realizara su famosa predicción basándose en el trabajo de un desconocido físico indio llamado Satyendra Nath Bose. El experimento les valió a Wieman y Cornell el premio Nobel de Física de 2001, que compartieron con Wolfgang Ketterle, del Instituto de Tecnología de Massachussetts (MIT).

Cada uno de los dos millones de átomos está en los dos sitios a la vez

Ketterle ha llegado a media milmillonésima de grado por encima del cero absoluto

¿Qué es la condensación de Bose-Einstein? Según su comportamiento estadístico, las partículas pueden ser fermiones o bosones. Los fermiones son individualistas y sólo cabe uno de ellos en un estado cuántico. Por el contrario, a los bosones les encanta ocupar el mismo estado. A temperaturas altas, esta diferencia no tiene importancia, pues hay tantos estados para ocupar que la mayoría están vacíos o, como mucho, contienen una partícula. A temperaturas bajas, todas las partículas quieren ocupar los estados de más baja energía. Los fermiones se disponen unos encima de otros, como los miembros de una cooperativa escogerían los pisos de un edificio sin ascensor. Los bosones, más gregarios, lo resuelven yendo todos a vivir a la planta baja. Una vez allí, los bosones condensados actúan todos de la misma manera y su naturaleza cuántica se amplifica como el sonido de los violines en una orquesta. El condensado forma una onda atómica macroscópica.

Esta actuación al unísono se mantiene hasta sus últimas consecuencias. Imaginemos un condensado de dos millones de átomos (los hay de hasta 20). Haciendo incidir un láser suficientemente localizado, podemos dividir el condensado en dos mitades y separarlas por completo. Nuestro sentido común, basado en la física clásica, nos sugiere que un millón de átomos están en un paquete y un millón en el otro.

Sin embargo, la física cuántica nos dice que cada uno de los dos millones de átomos está en los dos sitios a la vez, siempre que (esto es importante) no seamos demasiado curiosos y midamos el número de átomos que hay en cada paquete. Si lo hacemos, destruiremos la coherencia entre las dos partes de la onda atómica y tendremos que hablar de dos condensados completamente independientes. Al volver a juntar los condensados, encontraremos un patrón de interferencia aleatorio. Por el contrario, si no medimos el número de partículas, se mantendrá la coherencia de fase y cuando recombinemos los dos paquetes observaremos un patrón de interferencia predecible. La diferencia entre las dos interpretaciones no es pues meramente filosófica sino que tiene consecuencias experimentales que de hecho han sido comprobadas en el laboratorio.

Esto sólo es un botón de muestra de los nuevos fenómenos que se pueden explorar con estos condensados atómicos que, desde su primera obtención hace 10 años, no han dejado de ocupar la sección de noticias de las revistas científicas. Hay muchos otros ejemplos. Una herramienta espectacular es la modificación de las fuerzas interatómicas. Éstas dependen de la estructura interna de los átomos, que a su vez es sensible a un posible campo magnético. Por lo tanto, ajustando el campo magnético externo se puede escoger la intensidad y el signo de las fuerzas entre átomos. De este modo, los sistemas cuánticos de muchos cuerpos se pueden diseñar a gusto del consumidor. No hay precedentes de algo parecido en la historia de la física.

Una luz láser convenientemente escogida puede crear un potencial atractivo o repulsivo para un átomo. Si se forma una onda de luz estacionaria, con nodos y vientres, el átomo experimenta un potencial periódico. Así, los grupos de Múnich y Florencia han empezado a recrear la física del estado sólido, con los átomos jugando el papel de los electrones y las modulaciones espaciales del láser el de los iones del sólido; es el cristal láser. Hay una diferencia importante, sin embargo, y es que los electrones son fermiones y hasta ahora sólo hemos hablado de átomos bosónicos. Esta diferencia no es insalvable, pues desde 1999 el grupo de JILA dirigido por Debbie Jin ha conseguido enfriar fermiones.

Actualmente, los gases cuánticos fermiónicos compiten duramente con sus parientes bosónicos por la atención de la prensa científica, consiguiendo eclipsarlos con frecuencia. Aunque la física es muy distinta, la extracción social de los grupos experimentales es la misma: son los físicos AMO (atómicos, moleculares y ópticos). Los teóricos, en cambio, son de procedencia más variada. Primero se consiguió que los átomos fermiónicos se enfriaran tanto que su distribución de energías fuera similar al de los electrones en un metal normal. Recientemente, se ha conseguido algo más difícil todavía: que se comporten como los electrones de un superconductor. Sabemos desde hace 50 años que, a temperaturas muy bajas, los electrones de un metal se agrupan en parejas para comportarse como bosones y así poder superconducir, esto es, moverse sin encontrar resistencia.

Un equivalente atómico conocido es la superfluidez del isótopo 3 del helio, cuyos átomos fermiónicos necesitan aparearse para superfluir. Pues bien, entre el año pasado y éste, los grupos de JILA e Innsbruck han conseguido la superfluidez de un gas fermiónico.

Al igual que con los condensados bosónicos, la principal novedad reside en que, en los gases fermiónicos, las densidades son muy bajas y las fuerzas, tanto internas como externas, ajustables. Además, en ambos casos, los átomos vienen en distintos modelos, tantos como elementos de la tabla periódica pueden enfriarse en estas condiciones. Al introducir el gas cuántico fermiónico en un cristal láser, se puede simular el comportamiento de los electrones en un sólido, pero esta vez con mayor verosimilitud, ya que las propiedades estadísticas son similares.

La lista de hitos científicos parece no tener fin. Se han condensado átomos no alcalinos como el hidrógeno, el helio excitado, el cromo o el yterbio. Se han formado vórtices y redes de vórtices. El grupo de Ketterle ha alcanzado la temperatura de media milmillonésima de grado Kelvin por encima del cero absoluto. Lene Hau, en Harvard, ha conseguido detener la luz en un condensado atómico. Y las propuestas teóricas no andan precisamente cortas de imaginación. La última noticia viene de Utrecht, donde un grupo de teóricos ha propuesto que, con átomos fermiónicos atrapados en el interior del vórtice de un condensado de Bose-Einstein, se podrían comprobar algunas predicciones de la física de supercuerdas, esa rama de la física teórica que intenta unificar todas las fuerzas de la naturaleza. En la física AMO todo parece ser posible, por lo que no deberíamos sorprendernos si finalmente alguien consigue realizar el experimento.

Fernando Sols es catedrático de Física de la Materia Condensada en la Universidad Complutense de Madrid.