Zero absolut cada vegada més a prop
1991/09/01 Otaolaurretxi, Jon Iturria: Elhuyar aldizkaria
A l'Escola General Superior de París, l'any passat es va aconseguir la temperatura més baixa en alguns àtoms de cesi: 2,5 milions de Kelvin. Però unes setmanes més tard la notícia va arribar de Washington, perquè Carl Wieman havia baixat en el seu laboratori la marca fins al 1,1 microcelvión (1,1x10 -6K).
Tres tècniques diferents
En la carrera fins al zero absolut, els físics no paren de superar els obstacles després de la batalla. És memorable la marca que va obtenir en 1908 l'holandès Kamerlingh Onnes. Ell, en el seu laboratori, el va convertir en un líquid refrigerat abans que ningú a una temperatura de 4,3 K. Des de llavors, els físics s'han submergit en els submúltiples del grau K. En la dècada dels 70 van desenvolupar tècniques per a mesurar el mil·lèsim grau i avui dia aconsegueixen el milió.
Les propietats de l'heli líquid són bàsicament les que aprofita la física clàssica de molt baixa temperatura. Utilitza criostatos de dilució que han estat ultrasofisticados parents als frigorífics dels habitatges i actualment es ven aparells per a obtenir 5 milicelvin.
En el cas dels criostatos de dilució, el refredament d'un material a la temperatura més baixa pot durar molt de temps. L'heli líquid es refreda fins a aquesta baixa temperatura i el material que està en contacte amb aquest heli es refreda i es manté fred.
No obstant això, l'Escola Superior de París ha utilitzat un altre sistema. El físic Claude Cohen-Tannoudji i els seus acompanyants han tingut un centímetre cúbic de cesi gasós en 2,5 microcelvinas durant uns pocs segons, només en un moment punta.
Si es té en compte únicament la temperatura al marge de la massa, la tècnica denominada desimantación adiabàtica permet obtenir temperatures més fredes. Mitjançant aquesta tècnica, igual que amb l'heli líquid o la cesi gasós, el bloc de material no es refreda, sinó només algunes partícules d'aquest bloc.
En 1956 l'hongarès Nicholas Kurti va refredar en una barra de coure els petits imants (spines) que produeixen els nuclis de coure fins a 12 microcelvines. Posteriorment, seguint el mateix camí, la finlandesa Lounasmaa ha aconseguit amb els seus col·laboradors una temperatura de 20 nanocelvine (20x10 -9K). Cal deixar clar, no obstant això, que les tres tècniques que empren heli líquid, cesi gasós i desimantación adiabàtica respectivament no tenen res a veure. La mesura de la temperatura és l'única cosa comuna en les tres tècniques. Veurem què passa a aquestes baixes temperatures.
Organització de la matèria en les tres tècniques
En general, la temperatura mesura el grau d'agitació de la matèria. En els cossos calents, les partícules circulen a gran velocitat. Per exemple, a una temperatura de 100 °C, els àtoms de cesi es desplacen a la deriva xocant a una velocitat de 300 m/s. No obstant això, quan la temperatura baixa, el moviment anàrquic en calent es calma, les partícules s'alenteixen i la matèria tendeix a ordenar-se. El gas primer es transforma en líquid i després en sòlid, les partícules s'han organitzat en la matèria.
Els criostatos de dilució aprofiten els canvis de fase a l'interior de l'heli (del gas al líquid) per a descendir fins a la milicelvine i s'organitza quan la matèria es refreda.
En la desimantación adiabàtica, a una barra de coure se li aplica un camp magnètic d'alta intensitat. Els spines del nucli que fins llavors vagaven sense rumb s'alineen en la direcció de les línies de camp. Si la part del metall està ben aïllada de les aportacions de calor externes i la intensitat del camp magnètic disminueix lentament, els spines es refreden (no tot el metall) per estar preordenados.
La tècnica utilitzada a l'Escola Superior de París és la denominada refrigeració làser. El cesi gasós sobresurt per un petit orifici del forn en una direcció determinada i contra aquest chorrito es llança un raig làser. Els fotons que toquen cada partícula de cesi frenen el moviment, igual que el cotxe l'aire contrari. En cada xoc amb els fotons, la velocitat de l'àtom de cesi disminueix en 3 mm/s.
Sembla que aquest amortiment no és enorme, però després de xocar amb molts fotons, la velocitat de l'àtom s'ha alentit fins a una temperatura de 2,5 microcelvines. De fet, en un recorregut de dos metres amb cent mil xocs la velocitat baixa de 300 m/s a un metre o un altre segon. Aquests àtoms congelats d'aquesta manera s'emmagatzemen en un magatzem òptic on es recullen sis raigs làser i es mantenen durant uns segons a una velocitat d'1 cm/s o 2,5 microcelvines.
Zero absolut inassolible
Com cada dia es van consolidant les marques, més d'un pot preguntar quan s'aconseguirà el zero absolut. Els físics estan cada vegada més prop d'aquest zero, per descomptat, però no creuen que arribin una vegada més. D'una banda, hi ha raons pràctiques que ho impedeixen. Igual que no es pot aconseguir un buit total, tampoc és possible aconseguir un zero absolut per no haver d'introduir calor en el camp d'assaig des de l'exterior. D'altra banda, hi ha raons teòriques. El tercer principi de la termodinàmica, que fins ara ha governat la física dels canvis tèrmics, nega la possibilitat de baixar fins al zero absolut.
Propietats sorprenents de la matèria
La raó principal perquè els físics treballin a baixes temperatures és que estudiïn millor la matèria. De fet, el moviment de les partícules per calor a temperatura ambient oculta certes característiques físiques de la matèria. Per sota de la temperatura de 2,17 K, l'isòtop heli 4 (amb dos protons i dos neutrons) té un comportament sorprenent. S'aboca sense cap fregament, puja per les parets verticals dels recipients, surt d'un forat més petit que la micra sense cap dificultat i transporta la calor un milió de vegades més fàcil que qualsevol líquid: es converteix en un superfluid.
L'heli és l'únic líquid conegut de moment i cal esmentar que aquestes característiques són similars a les de la superconductivitat. La superconductivitat és una propietat especial d'alguns metalls. Per sota d'una temperatura determinada (per exemple, l'alumini per sota de 1,12 K), el metall no posa cap obstacle al pas del corrent elèctric. La resistència òhmica és, per tant, zero. El corrent elèctric introduït en un anell, per exemple, trigaria milions d'anys a desaparèixer d'ell.
Aquestes curioses característiques de la matèria s'expliquen mitjançant la mecànica quàntica. A temperatura ambient predomina el moviment produït per la calor, però a temperatures fredes les propietats quàntiques de la matèria es fan públiques. En l'heli superfluid, per exemple, es recullen grups d'àtoms. En lloc que cada àtom desplaci el seu camí, es desplaça en grup. Aquest fenomen es coneix com a condensació de Bose-Einstein, en honor als dos físics que van anunciar. En els metalls superconductors es produeix un efecte quàntic similar. Els electrons s'ajunten de dos en dos i es comporten com un grup amb un objectiu concret.
El líquid presenta superfluïdesa i superconductivitat en metalls a baixes temperatures. Encara que encara no existeixen fenòmens similars en els gasos, l'Escola Superior de París espera que el cesi gasós es vegi refredat a temperatures més baixes que un microcelvin.
També s'estudien altres fenòmens previstos en la física quàntica a temperatures molt baixes, com l'electrònica microscòpica. En els circuits de mesura micra (els actuals xips electrònics), les lleis clàssiques d'electricitat no són aplicables. A temperatures pròximes a la desena part de Kelvina, la resistència elèctrica del circuit depèn de les interferències entre els electrons del corrent. Per a canviar la resistència n'hi ha prou amb canviar la posició d'un àtom en el metall per a canviar la resistència del circuit.
En aquestes condicions, la teoria quàntica ha d'aparèixer espontàniament en un anell metàl·lic de molt petit diàmetre el corrent elèctric infinitesimal. Per a detectar aquest corrent tan petit, el CRTBT de Grenoble (Centre de Recerca a Molt Baixa Temperatura) ha muntat un sofisticat aparell de mesura. Analitzaran el camp magnètic induït per a detectar en micres quadrades un corrent elèctric mil milions vegades menor que l'ampere.
També s'estan estudiant les bases del magnetisme de Grenoble. Els àtoms del líquid Heli 3 (amb un neutró i dos protons en el nucli) es comporten com a imants a baixes temperatures, formant un sistema magnètic molt simple. D'aquesta forma es pretén comprovar diferents teories sobre el magnetisme.
Aplicacions pràctiques
Els fenòmens detectats a aquestes baixes temperatures ja han començat a aplicar-se. Amb imants de superconductors s'obtenen camps magnètics més barats que les bobines clàssiques.
Els rellotges atòmics de Cesi també es publicaran pròximament. La seva precisió és 100 vegades superior a la dels rellotges actuals, a pesar que l'actual és impressionant (en deu milions d'anys només tenen un error d'un segon).
Els astrònoms també podran gaudir del minicriostato de dilució. Donat la grandària de la caixa de sabates, es podran utilitzar en satèl·lits per a la refrigeració dels bolómetros. Els bolómetros són aparells d'alta precisió que s'encarreguen de detectar i mesurar l'energia que transporten les radiacions lluminoses. No obstant això, treballar a baixes temperatures millorarà molt.
Moltes altres millores s'esperen gràcies a aquests curiosos fenòmens que s'han conegut en aquesta ràpida carrera fins al zero absolut.
Gai honi buruzko eduki gehiago
Elhuyarrek garatutako teknologia
