Condensado de Bose-Einstein

El condensado de Bose-Einstein (o BEC, del inglés condensado de Bose - Einstein) es un estado especial de la materia en el que los bosones se enfrían a una fracción de grado por encima del cero absoluto, comenzando a comportarse como una sola entidad en lugar de como partículas separadas y manteniendo incluso a nivel macroscópico todas las propiedades cuánticas que exhiben a nivel microscópico, por ejemplo, al comportarse como ondas y no como partículas. BEC se puede formar a partir de gases con baja densidad de átomos ultrafred o de algunas cuasipartículas dentro de sólidos, como excitones o polaritones. Teorizado en 1924 por Albert Einstein y Satyendranath Bose, se observó por primera vez en 1995.

La principal propiedad del condensado de Bose-Einstein radica en el hecho de que las partículas que se encuentran en tal estado exhiben comportamientos cuánticos apreciables a escala macroscópica. La luz pasa a través de un condensado a razón de 1 metro por segundo. Para hacer el BEC, las partículas generalmente se confinan en una llamada "trampa electromagnética" y las golpean repetidamente con rayos láser ultra precisos, que ralentizan sus movimientos hasta que se detienen casi por completo, llevándolas a una temperatura cercana al cero absoluto. Cuando las partículas están inmóviles, la trampa electromagnética se elimina, y los investigadores pueden comenzar a realizar las mediciones en el condensado; el problema, sin embargo, es que la gravedad tiende a interrumpir la estabilidad del condensado en sí, disminuyendo así el tiempo disponible para los experimentos. De ahí la idea de crear un BEC en el espacio, bajo condiciones de caída libre, que se aproximan a la ausencia de gravedad. Si producir un BEC en el suelo es bastante complicado, en el espacio las cosas se vuelven aún más difíciles. Para lograr esto, los científicos del Dlr tuvieron que miniaturizar todo el aparato experimental, "empaquetándolo" en un pequeño chip que contenía átomos de rubidio - 87. El chip fue lanzado al espacio, a una altitud de unos 243 kilómetros, donde el rubidio se enfrió a una temperatura de - 273,15 grados centígrados. Conquistando así el registro del punto más frío del universo y dando inicio a la Nebulosa Boomerang, más caliente que un grado. La mezcla de rubidio ultrafred en caída libre pasó al estado condensado de Bose-Einstein y permaneció allí durante unos seis minutos, antes de regresar a la Tierra.

A principios del siglo XX, el estudio de la naturaleza cuántica de la radiación electromagnética tuvo importantes avances. Max Planck determinó que la radiación de un cuerpo negro '' es comprensible solo admitiendo que la materia emite energía en forma de radiación.'' Estos estudios llevaron a Albert Einstein en 1905 a concluir que "es la radiación misma la que está cuantizada, en cuántos de luz, fotones, y en los años siguientes los estudios sobre la naturaleza cuantizada de la luz se profundizaron aún más. En 1924, el físico S. N. Bose de la Universidad de Dhaka en la India envió a Einstein un artículo en el que la Ley de distribución de Planck para los fotones se había obtenido mediante la explotación de argumentos estadísticos, sin recurrir a ningún resultado de la electrodinámica clásica. Einstein entendió la importancia de este resultado, y él mismo desarrolló la teoría cuántica de partículas bosónicas: así nació el concepto de partículas obedientes a la estadística de Bose - Einstein. Einstein observó que, admitiendo la preservación del número de partículas, incluso un sistema de partículas que no interactúa exhibe una transición de fase aguda a temperaturas suficientemente bajas. Tal transición se define como condensación de Bose-Einstein. Durante mucho tiempo, este fue el único sistema físico para explicar el fenómeno. Después de la observación del comportamiento superfluido del helio 4 H y {\displaystyle ^{4} He} , Londres propuso en 1938 que tal fenómeno podría ser la manifestación de la condensación bosónica de átomos de helio. Fue así que especialmente en los años 50 y 60 el estudio teórico de los sistemas de bosones llevó a nuevos conocimientos sobre el condensado de Bose-Einstein. Después del desarrollo del enfriamiento láser y las primeras trampas ópticas, en los años 60 y 70, creció el interés en hacer BEC en un sistema diluido de átomos gaseosos. El padre de los BECs, aunque no se dio cuenta de ellos, es considerado Daniel Kleppner del MIT. En 1995, el laboratorio de la Universidad NIST - JILA de Colorado, fue producido por sus alumnos Eric Cornell y Carl Wieman el primer BEC de rubidio, utilizando técnicas de enfriamiento láser, los átomos se mantuvieron en una trampa magnética y la radiación de radiofrecuencia se utilizó para" evaporar "las partículas más energéticas, dejando atrás esos fríos y lentes para formar la temperatura de condensación de aproximadamente 6 ⋅ 10 − 8 K {\displaystyle 6 \ cdot 10^ {- 8} K} Comenzó a interesarse por los condensados a partir de 1976, impulsado por sus estudios previos sobre el hidrógeno polarizado, que cerca del cero absoluto permanece en estado gaseoso. Una vez que esto ocurrió, la trampa fue desactivada y Cornell y Wieman realizaron los primeros experimentos; desafortunadamente la fuerza repulsiva natural entre los átomos, que hace que la nube se expanda, la disipó después de menos de un segundo. Esta técnica siempre se utilizó hasta 2018, cuando la misión meius 1 llevó a la producción del primer BEC en el espacio, de mayor duración. Junto con Wolfgang Ketterle, ganaron el Premio Nobel de Física en 2001. En junio de 1998 Kleppner y sus estudiantes observaron el hidrógeno BEC, que resultó ser mucho más difícil de crear que con átomos alcalinos. En la Universidad de Princeton se plantea la hipótesis de que la materia oscura puede estar compuesta de BEC. En 2001, el grupo de lentes Infm en Florencia produjo el primer BEC de potasio-41 utilizando una innovadora técnica de contacto térmico con una muestra de átomos de rubidio en una trampa magnética. Por lo tanto, la facilidad de enfriamiento por láser el rubidio ha bajado la temperatura hasta 100 y K {\displaystyle 100nk} . El mismo año, en un experimento llevado a cabo por el NIST, se produjo un condensado de rubidio - 85 a 3 mil millonésimas de kelvin : la temperatura más baja jamás obtenida. Los investigadores fueron capaces de modificar las interacciones atómicas mediante la aplicación de diferentes campos magnéticos y la creación de una Bose nova. En otro experimento, se creó un vórtice de anillo en un condensado, creando un" solitón oscuro ", es decir, una onda que puede propagarse a largas distancias sin disipar energía. En 2002 un grupo de físicos alemanes propuso un método para inducir un gas de bosones ultrafred a comportarse como fermiones y no condensarse. También en 2002 la Universidad de Innsbruck creó un cesio BEC y un grupo de físicos Italianos mostraron que un BEC puede causar el colapso de un gas de Fermi. El descubrimiento también podría ayudar a los físicos a convertir un gas de Fermi en un superfluido, una sustancia desprovista de viscosidad. En 2003 en la Universidad de Innsbruck en Austria lograron crear el primer BEC molecular de litio. Los láseres se utilizaron para enfriar la nube de gas hasta que los átomos en la nube se acoplaron en moléculas de litio biatómicas. El condensado contenía alrededor de 150000 moléculas y duró 20 segundos, a diferencia de otros BEC que duraban unos pocos milisegundos. En 2006, se creó el primer polariton BEC en la Escuela Politécnica Federal de Lausana (EPFL). En noviembre de 2010, se observó el primer fotón BEC. En junio de 2013, un equipo del NIST verificó el efecto hall del espín cuántico en un condensado de átomos de rubidio mediante la creación de un prototipo de transistor espintrónico. En diciembre de 2013 IBM, en colaboración con la Universidad de Wuppertal en Alemania, ha creado un BEC para unos picosegundos a temperatura ambiente gracias a un polímero luminiscente colocado entre dos espejos y excitado con luz láser. I desde 2018, se están intentando experimentos para definir el condensado de Bose-Einstein: realizando por primera vez una condensación en el espacio, gracias al experimento alemán, en la órbita terrestre, MAIUS. Se llevaron 100. 000 átomos de rubidio y los enfrió a temperaturas de aproximadamente 100 y K {\displaystyle 100nk} , una diezmillonésima parte de Kelvin por encima del cero absoluto. Esto resultó en una nube súper fría que nos hizo entender las extrañas propiedades cuánticas de los átomos ultrafred, que no pueden ocurrir en la gravedad de la Tierra. En el espacio, ser capaz de echar un vistazo más de cerca al condensado reveló un halo de átomos de rubidio sueltos flotando alrededor de los bordes de la nube. Gracias a la forma en que se enfrió el material, estos átomos se vieron mínimamente afectados por la trampa magnética: de hecho, la gravedad generalmente los alejó. Pero en caída libre, se quedaron, creando una nube ultrafred potencialmente útil para estudios futuros. La diferencia fundamental es que en órbita en el espacio están en condiciones de microgravedad, por un tiempo virtualmente infinito; en la Tierra estas Condiciones solo se pueden realizar por un tiempo muy corto. En condiciones de microgravedad, un condensado podría alcanzar temperaturas del orden de picokelvin, es decir, mil veces más cerca del cero absoluto (- 273,15 grados Celsius). En la Tierra, el límite es en cambio el de nanokelvin, es decir, una millonésima parte de Kelvin. Tales bajas temperaturas son ideales para estudiar las leyes de la física fundamental, y el intento de Lachmann prueba esto: en MAYUS 1 tomó solo 1,6 segundos para producir un condensado de Bose - Einstein con aproximadamente 100. 000 átomos, y en seis minutos se llevaron a cabo más de 80 experimentos. Como explica un artículo en" Nature "firmado por Liang Liu, investigador de la Academia China de Ciencias en Shanghai, en perspectiva la idea es poder llegar a una generación de interferómetros basados en este fenómeno. Actualmente, los interferómetros basan su funcionamiento en la interferencia de la luz, que es muy sensible a los cambios en la distancia recorrida por el haz de luz. La idea es reemplazar las ondas de luz con ondas de materia. En mecánica cuántica, una onda se asocia con cada partícula; cuanto más rápida es la partícula, más corta es su longitud de onda, y viceversa. El condensado de Bose-Einstein, debido a sus características particulares, se puede describir como una sola onda de materia, pero se puede dividir en dos componentes diferentes. Los dos componentes pueden recombinarse posteriormente para generar figuras de interferencia muy sensibles a perturbaciones externas, e idealmente pueden proporcionar el mecanismo físico básico para hacer sensores de ondas de materia: interferómetros cuánticos. En perspectiva, estos nuevos sensores cuánticos en el espacio permitirán llevar a cabo experimentos imposibles o difíciles de llevar a cabo en la Tierra. Entre ellos, la búsqueda de ondas gravitacionales en rangos de frecuencia actualmente inaccesibles violaciónes muy sutiles de la teoría de la relatividad general de Einstein. En 2020, después de los resultados sondeados por Meius 1, BEC fue definido por la comunidad científica como el estado de la materia, después de canónico 3 (sólido, líquido y aeriforme) y estado plasmático. Según el experto, el resultado" puede abrir el camino a muchas aplicaciones, desde interferómetros y atómicos para ser enviados al espacio para realizar experimentos muy precisos para verificar la relatividad general ,para detectar ondas gravitacionales y medirá con mucha precisión la gravedad de la tierra para ver, por ejemplo, los cambios del movimiento del magma en los volcanes, el movimiento de los glaciares, las sutiles variaciones en el nivel mar " Para definir otros estados y propiedades cuánticas, la NASA ha planeado dos misiones: Mayus 2 y Mayus 3.

La transición a BEC tiene lugar por debajo de una temperatura crítica, tal temperatura para un gas uniforme que consiste en partículas no interactuantes con grados insignificantes de libertad interna se aplica. dónde: en presencia de interacciones, el valor de temperatura cambia y si las interacciones son débiles, la teoría de campos medios se puede usar para calcular la variación. La expresión se deriva de la estadística de Bose-Einstein mirando cuando uno tiene degeneración en un gas de Bose.

El fenómeno de la condensación se puede deducir considerando un sistema de bosones independientes, es decir, no interactuantes, libres y de masa no nada. La distribución de estos bosones es la distribución de Bose-Einstein : para calcular el número total de bosones en un sistema dado, uno tendría que sumar todos los niveles de energía posibles. En cambio, gracias a la fórmula de Euler es posible reemplazar la suma discreta en una integral en el espacio de fase, con un error insignificante. En este caso entonces obtenemos: en este punto consideramos los bosones dentro de un volumen V {\displaystyle V} y energía: ε = p 2 2 m {\displaystyle \ varepsilon ={\frac {p^{2}} {2m}}} , es decir, la de una partícula libre, de la que deriva p = 2 m ε {\displaystyle P = {\sqrt {2m \ varepsilon }}} . Así que el número total de bosones es: a este número no contribuyen los bosones pertenecientes al primer nivel de energía (estado fundamental), para el cual se tiene ε = 0 {\displaystyle \varepsilon = 0} . Así que estos son todos los bosones pertenecientes a los niveles excitados Y ε {\displaystyle N_ {\varepsilon }} y los bosones que pertenecen al estado fundamental son donde Y {\displaystyle N} es el número total. A temperatura T = 0 {\displaystyle T = 0} el potencial químico μ {\displaystyle \ mu } es nulo y sin efecto. A bajas temperaturas, con la aproximación anterior, se puede calcular el número de bosones en el nivel fundamental: la Integral es una integral conocida, llamada K 3 / 2 = ζ ( 3 2 ) Γ ( 3 2 ) {\displaystyle K_{3/2}=\zeta \left({\frac {3}{2}}\right)\Gamma \left({\frac {3}{2}}\right)} donde ζ ( x ) {\displaystyle \ zeta (x)} y Γ ( x ) {\displaystyle \Gamma (x)} son respectivamente la función zeta de Riemann y la función Gamma de Euler Se puede suponer que para pequeñas variaciones de temperatura en comparación con 0 el potencial químico varía poco, por lo que se puede aproximar μ ≃ 0 {\displaystyle \ mu \ simeq 0} . Por lo tanto: concluye que en el límite donde T 0 {\displaystyle T_{0}} tiende a 0 {\displaystyle 0} los bosones están en el estado fundamental.

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