lunes, 25 de noviembre de 2013
viernes, 22 de noviembre de 2013
Condensado de Bose-Einstein
La ciencia ha ido avanzado trascendentalmente. Durante el siglo XX existieron grandes científicos que se encargaron de hacer extraordinarias aportaciones a la humanidad.
En el año de 1924 dos grandes físicos, Satyendra Nath Bose y Albert Einstein predijeron una de las más importantes teorías de esa época, la existencia de un nuevo estado de agregación de la materia: Condensado de Bose-Einstein, que consiste en enfriar átomos a muy bajas temperaturas.
Todo parte de Bose, quien tenía la idea de que la luz se propagaba por medio de pequeños paquetes denominados fotones. Sus estudios se basaron en determinar ciertas reglas del comportamiento de dichos paquetes. No obstante existía un problema, Bose no contaba con bastante credibilidad en el ámbito científico. Debido a esto, pidió ayuda a Albert Einstein quien tenía gran importancia e influencias en la ciencia. Einstein al revisar los estudios de Bose se dio cuenta que dichas reglas no eran exclusivas para fotones, sino también aplicaban en partículas con masa. Einstein, gracias a los aportes de Bose llegó a la conclusión de que en condiciones de temperatura ambiental, el efecto de aplicar esta teoría no introducía ningún cambio apreciable pero a temperaturas cercanas al cero absoluto, el caso era distinto.
Al enfriar átomos a temperaturas extremadamente bajas (tendiendo al cero absoluto) estos pierden su identidad individual. Las partículas se vuelven indistinguibles y se comportan exactamente igual. Al ocurrir esto se produce el denominado Condensado de Bose-Einstein.
Para que se pudiesen efectuar las teorías de Bose y Einstein tuvieron que transcurrir 70 años. En el momento en que Bose y Einstein predijeron la existencia de dicho condensado la tecnología disponible no era suficiente para la realización experimental. Debido a esto, el principal impedimento para la realización de condensado Bose-Einstein era el enfriamiento de átomos temperaturas tan bajas. No obstante, gracias a los avances tecnológicos se iban diseñando nuevas técnicas las cuales generaron una mayor inquietud para obtener dicho condensado. Fue hasta 1989 que dos físicos, Eric Cornell y Wieman, aplicando las nuevas tecnologías desarrolladas en todo ese lapso de tiempo (enfriamiento por haces de láser y trampas magnéticas), lograron enfriar átomos de rubidio a una millonésima de grados sobre el cero absoluto; consiguieron que dichos átomos en estado gaseoso se fundieran en un condensado Bose-Einstein
PARTÍCULAS ELEMENTALES
En física de partículas se distinguen dos tipos básicos de partículas elementales: los bosones y los fermiones. El fenómeno de los condensados de Bose-Einstein se da en partículas bosónicas. Los bosones son partículas que se caracterizan por tener un espín entero (momento angular intrínseco). No cumplen con el principio de exclusión de Pauli (no puede haber 2 electrones en el mismo átomo que tengan los mismos números cuánticos). Sigue la estadística de Bose-Einstein (a determinadas condiciones, los bosones se comportan de manera diferente a los fermiones, debido a que un número ilimitado de ellos pueden captar el mismo estado de energía). Y la función de onda cuántica que describe sistemas de bosones es simétrica respecto al intercambio de partículas. Algunos ejemplos de los bosones son las partículas alfa, fotones, gluones, etc.
Si un número de átomos bosónicos se prepara bajo determinadas condiciones se podrá encerrarlos o aislarlos en un mismo punto y estado de energía formando un “súper átomo” donde todas sus partículas comparten el mismo estado cuántico y exhiben el mismo comportamiento. En consecuencia estos átomos constituirán un estado de agregación denominado condensado Bose-Einstein.
CONDENSADOS BOSE-EINSTEIN
Como ya hemos dicho, el condensado Bose-Einstein es un estado de agregación de la materia que se presenta en determinadas condiciones. Estas son principalmente una densidad ultra baja y una temperatura baja, o sea una energía cinética mínima.
En esas condiciones, un número de átomos similares (aunque en estados diferentes entre sí) pierden su identidad individual y se condensan en un “gran átomo”. En él, sus constituyentes son idénticos e indiferenciables, se mueven al unísono y manifiestan las mismas propiedades físicas y comportamiento ante interacciones externas.
A medida que se enfría, el tamaño del paquete aumente y se solapa con la onda asociada a la partícula contigua. Cuando la temperatura tiende a cero, la velocidad tenderá también a cero. Los paquetes de los distintos átomos se fundieran en un solo paquete macroscópico. Al ocurrir esto surge la llamada “crisis de identidad cuántica”; esto significa que todos los átomos son idénticos, con lo que no hay medida que pueda diferenciarse uno de otro. Esto amerita que los átomos al tener propiedades idénticas, comporta determinadas propiedades teóricas: mismo volumen, dispersaran luz del mismo color, el medio será homogéneo, etc.
MONTAJE EXPERIMENTAL
El diseño experimental parte de una caja de cristal. En ella se crea un vacío casi perfecto, lo que garantiza el aislamiento del exterior y la posible interacción con otras partículas residuales que pudiese haber en su interior. Es importante que el recipiente esté completamente limpio de cualquier materia. En ese punto se introduce una mínima cantidad de gas de rubidio puro. Posteriormente se procede al enfriamiento de dicho gas, mediante dos técnicas:
· Enfriamiento y aislamiento mediante láser
· Enfriamiento por evaporación mediante trampa magnética
ENFRIAMIENTO POR LÁSER
Este se basa en la presión o fuerza resultante del impacto de los fotones sobre los átomos. Se hace incidir seis haces de láser por cada una de las caras del recipiente.
Un átomo puede absorber y emitir muchos millones de fotones por segundo (cuando los fotones salten del átomo, los electrones del átomo absorben el fotón). Cada vez que esto sucede, el átomo recibe un pequeño impulso en la dirección por la que se movía el fotón absorbido. Para que este proceso de absorción y reemisión frene al átomo, se debe conseguir que el átomo absorba fotones que se muevan en sentido contrario a él. Para ello es necesario ajustar adecuadamente la frecuencia.
Al haber seis haces de láseres en cada una de las tres direcciones espaciales convergentes en el gas, los átomos que viajan “contra” un haz de estará a su vez Alejandro de otro Al alejarse un átomo de un haz provoca una aceleración debido a la presión de radiación, mientras que si se acerca, la presión de la radiación producirá una desaceleración. En consecuencia, todos los átomos vayan en la dirección que sea del espacio, serán frenados paulatinamente, es decir, redujeran su energía cinética y se enfriaran considerablemente.
Sin embargo, el enfriamiento por láser tiene sus límites. Los aproximadamente 10 millones de átomos de rubidio están concentrados en la trampa láser y tienen una tempera de 40 µK, que es cien veces mayor que la necesaria para el condensado Bose-Einstein.
Inevitablemente, el láser envía fotones que golpean aleatoriamente a los átomos de manera que estos no pueden reducir su velocidad por completo debido a los impulsos que transfieren los fotones.
Por ello es necesario la ejecución de la segunda técnica: enfriamiento por evaporación:
ENFRIAMIENTO POR EVAPORACIÓN
Este método se basa en trampas magnéticas. Tras apagar los rayos láser que enfriaron y confinaron los átomos, se hace circular corriente por las bobinas. Los campos “acorralan” más a los átomos. Además este método permite que aquellos átomos con mayor energía escapen del cuenco o punto de potencial.
Este método sirve para expulsar aquellos átomos más energéticos y dejar dentro de la trampa a aquellos átomos de mínima energía. Esto producirá que el átomo caiga al fondo de la trampa.
Los átomos que escapan absorben parte de la energía de otros átomos que permanecen en el interior. Los que permanecen en el interior interactúan entre sí, chocan con frecuencia y reparten su energía más o menos uniformemente, lo que hace que la energía de los átomos reduzca. O sea, si un átomo puede adquirir una energía grande que absorbe de varios átomos con los que choca (los cuales pierden energía y se enfrían) consigue escapar de la trampa y como quedan átomos de menor energía, la temperatura desciende.
Esto final provoca que los átomos se muevan más despacio y se acumulan apretadamente en el fondo del cuenco.
Los paquetes de cada uno de van confundiendo y solapando. Posteriormente, se produce una “avalancha” de átomos que se acumulan en el estado más bajo de la trampa donde se funden y forman en el condensado Bose-Einstein.
CONCLUSIÓN
A medida que va avanzando la tecnología y la ciencia se empiezan a abrir las puertas de lo desconocido por el hombre. Uno de los mejores ejemplos es este nuevo estado de agregación de la materia, el condensado de Bose-Einstein. Fue de gran impacto este descubrimiento ya que en el momento en que se predijo nadie creía que era posible enfriar átomos a tan bajas temperaturas por ello solo lo veían como una teoría más, hasta que se lograron enfriar átomo a temperaturas muy cercanas al cero absoluto.
Este estado de agregación no puede ser comparado con los estados con los que interactuamos diariamente (sólido, líquido, gas, plasma) ya que este se manifiesta a un nivel cuántico. Es muy difícil comparar nuestro entorno que está constituido de miles de millones de átomos con átomos individuales, o bien, átomos de minima cantidad a los de la materia que vemos con nuestros propios ojos.
Después de este gran hallazgo, al lograr crear el primer condensado, se empezó a ver un gran interés sobre este tema en la comunidad científica. En estos tiempos se han producido condensados con átomos diferentes al de rubidio (sodio, cesio, etc.) hasta con los mismísimos fotones.
Finalmente, gracias a este descubrimiento se empiezan a abrir más puertas en la ciencia para creación de nuevas tecnologías que serán de utilidad para nuestro futuro.
REFERENCIAS
Hueso González, F. (27-V-08). CONDENSADOS DE BOSE-EINSTEIN: GASES BOSÓNICOS EN EL ESTADO DE MENOR ENERGÍA POSIBLE FORMAN UNA SOLA ENTIDAD COHERENTE, Pág 3-19. Recuperado en http://mural.uv.es/ferhue/1o/Condensados_Bose-Einstein_FHG.pdf
Maldonado Portillo, K. (6-dic-2012). Sobre el quinto estado de agregación, pág. 1. Recuperado en http://www.fisica.unam.mx/noticias_quintoestadodeagregacion2012.php
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lunes, 11 de noviembre de 2013
Objetivos
En este blog podrá encontrar información acerca de tópicos científicos, en este caso: El condensado de Bose-Einstein. La creación de este blog se hace para brindar información importante y utilidad para cualquier persona en general. A demás, este blog forma parte de una práctica escolar de la materia NTIC (Nuevas Tecnologías de la Información y Comunicación), de la Universidad de Sonora.
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