Un equipo internacional de investigadores, incluyendo un experto mexicano, alcanzaron una temperatura 3 mil millones de veces más fría que la del espacio interestelar. ¿Cómo lo hicieron?

¿Cuál es la temperatura más baja que puedes imaginar? La menor registrada en la Tierra es de -89,2℃ en la Antártida. En algunos sitios de la Luna puede caer por debajo de los -200 ℃.

Pero un equipo internacional de científicos logró una temperatura aún menor, la más baja jamás medida en el universo.

Investigadores de la Universidad de Rice, en Estados Unidos, y de la Universidad de Kioto, en Japón, obtuvieron en laboratorio una temperatura 3 mil millones de veces más fría que la del espacio interestelar.

Los científicos usaron rayos láser para enfriar átomos hasta una temperatura de apenas una mil millonésima de grado por encima de -273,15 ℃, el cero absoluto en la escala de Kelvin. Esta es la temperatura en la que cesa por completo todo movimiento de los átomos.

El experimento no es sólo un gran logro a nivel de laboratorio. También “abre las puertas al desarrollo de nuevos materiales con propiedades inimaginables”, señaló a BBC Mundo Francisco José Torcal-Milla, profesor del departamento de Física Aplicada de la Universidad de Zaragoza.

A temperaturas cercanas al cero absoluto, el helio, por ejemplo, “se vuelve superfluido, un estado caracterizado por la ausencia total de viscosidad. Esto hace que pueda atravesar paredes y cualquier tipo de material, poroso o no, y trepar por las paredes de los recipientes que lo contienen”, agregó el experto español.

Uno de los autores del experimento y del estudio que lo describe es el especialista en física atómica mexicano Eduardo Ibarra García Padilla, quien luego de completar su doctorado en la Universidad de Rice es ahora investigador postdoctoral en la Universidad de California Davis.

Ibarra explicó a BBC Mundo que hay fases de la materia que sólo son accesibles a las temperaturas más bajas.

Y acceder a esas temperaturas y a esas fases permitirá comprender mejor problemas de la física como “la superconductividad en los óxidos de cobre, que tendrán importantes aplicaciones tecnológicas”.

¿Cómo se realizó el experimento?
Los investigadores de Estados Unidos y Japón bajaron la temperatura a niveles extremos de átomos de iterbio, una tierra rara que es un elemento químico de la tabla periódica con el símbolo Yb.

Para lograrlo, utilizaron “técnicas de enfriamiento con láseres y enfriamiento evaporativo”, explicó Ibarra.

“El enfriamiento evaporativo es como cuando uno tiene una sopa muy caliente. Lo que uno hace es soplarle a la sopa; al hacer eso uno remueve las partículas más calientes y de esta manera enfria la sopa”, señaló el físico mexicano.

“Lo mismo hacen los experimentos: uno juega con la trampa de luz donde se atrapan los átomos y uno va removiendo los átomos más calientes y por ende enfria al sistema”.

¿En qué consisten esas trampas de luz?

Torcal-Milla, quien escribió un artículo de divulgación sobre el experimento, señaló a BBC Mundo que el procedimiento está rodeado de la más alta tecnología.

“Comienza por sublimar (convertir directamente de sólido a gas sin pasar por el estado líquido) átomos de iterbio. Este procedimiento se suele llevar a cabo haciendo incidir un láser de alta potencia sobre un bloque de iterbio sólido, haciendo que se evapore una pequeña cantidad del mismo”.

“Una vez que se obtiene el gas diluido, se mantiene en una cámara donde se ha hecho un vacío extremo y se atrapan los átomos mediante trampas ópticas, que son como una especie de lazos hechos de luz”.

“Después se incide sobre ellos con haces láser desde distintas direcciones. Los fotones del láser, al interactuar con los átomos de gas, que están agitándose, los frenan, disminuyendo su velocidad promedio y, como consecuencia, su temperatura”.

Dónde se realizó el experimento
El laboratorio donde se alcanzó la temperatura récord se encuentra en la Universidad de Kioto. Allí trabajó el grupo liderado por Yoshiro Takahashi y Shintaro Taie.

“Nosotros proporcionamos la parte teórica y numérica del estudio, que nos permite extraer las temperaturas a las cuales se realizaron los experimentos”, señaló Ibarra.

Uno de los sitios más conocidos por sus pruebas de bajas temperaturas es el Laboratorio de Átomos Fríos, CAL por sus siglas en inglés, en la Estación Espacial Internacional.

CAL tiene la ventaja de la ausencia de gravedad, aunque Ibarra señaló que para los estudios realizados en esta ocasión la gravedad cero no era necesaria.

Torcal Milla cree que sería interesante realizar estos experimentos a bordo de la Estación Espacial Internacional, “ya que a pesar de que la interacción gravitatoria que sufren los átomos individualmente debida a la Tierra es minúscula, esta cobra más importancia cuanto menores sean el resto de interacciones”.

¿Cómo cambia el comportamiento de la materia?
Ibarra explicó que “en la naturaleza existen dos tipos de partículas, los bosones (como los fotones de un láser) y los fermiones (como los electrones en un sólido), los cuales a muy bajas temperaturas exhiben diferentes comportamientos”.

Los científicos usaron un isótopo del iterbio llamado 173Yb, que es un fermión.

A temperaturas tan bajas como la alcanzada en el experimento, la materia se comporta de una forma extraordinaria.

Torcal-Milla explicó que en el caso de los bosones, todos caen a un estado mínimo de energía llamado estado fundamental en el que se hacen indistinguibles, llamado Condensado de Bose- Einstein.

Si por el contrario, son fermiones (partículas fundamentales que conforman la materia) se convierten en lo que se conoce como un gas o líquido de Fermi, capaz de ascender paredes o incluso atravesarlas.

Los ejemplos más conocidos de comportamiento extraños a bajas temperaturas son la superconductividad y la superfluidez. La superconductividad ocurre cuando una sustancia es capaz de transmitir la electricidad sin oponer resistencia.

Por otro lado, la superfluidez consiste en la pérdida total de viscosidad de una sustancia. Este estado de la materia puede ser alcanzado por un líquido de Fermi a temperaturas extremadamente bajas, muy cerca del cero absoluto.

A estas temperaturas casi todo se congela, excepto algunos isótopos de helio, que adquieren superfluidez. En este estado, el fluido es capaz de ascender las paredes del recipiente que lo contiene.

¿Qué aplicaciones futuras podría tener este tipo de experimento?
Ibarra señaló a BBC Mundo que conforme alcancemos temperaturas menores, diferentes fases exóticas de la materia aparecerán. Estas pueden tener propiedades magnéticas o de transporte completamente diferentes a las de otros materiales.

En el caso de una futura superconductividad de los óxidos de cobre, por ejemplo, una posible aplicación según el experto mexicano es la propuesta de usar superconductores para los trenes que levitan.

“Un ejemplo son los trenes maglev. Pero yo considero que probablemente serán de utilidad para otras aplicaciones puesto que implica poder tener una corriente eléctrica sin pérdidas”.

Para Torcal-Milla, “todo experimento que avance en el conocimiento es de importancia, por pequeño que sea el avance. Si pudiéramos contar a nuestros abuelos que con un aparatito que llevo en el bolsillo puedo acceder a cualquier información que necesite y además hablar e incluso ver de forma instantánea a una persona que se encuentra en las antípodas, nos tratarían de locos o charlatanes”.

“Algunos descubrimientos deben esperar para ser aplicados y quizá este sea el caso, pero no cabe duda que nos revelarán nueva física, que no podemos ni siquiera prever”, agregó el experto español a BBC Mundo.

“Quién sabe si el estudio de estos sistemas podría desvelarnos nueva física que nos dirija a la teoría definitiva que unifique todas las fuerzas fundamentales, o nos desvele propiedades de la materia a niveles microscópicos, todavía desconocidas”.