Cero absoluto cada vez más cerca
1991/09/01 Otaolaurretxi, Jon Iturria: Elhuyar aldizkaria
En la Escuela General Superior de París, el año pasado se alcanzó la temperatura más baja en algunos átomos de cesio: 2,5 millones de Kelvin. Pero unas semanas más tarde la noticia llegó de Washington, porque Carl Wieman había bajado en su laboratorio la marca hasta el 1,1 microcelvión (1,1x10 -6K).
Tres técnicas diferentes
En la carrera hasta el cero absoluto, los físicos no paran de superar los obstáculos tras la batalla. Es memorable la marca que obtuvo en 1908 el holandés Kamerlingh Onnes. Él, en su laboratorio, lo convirtió en un líquido refrigerado antes que nadie a una temperatura de 4,3 K. Desde entonces, los físicos se han sumergido en los submúltiplos del grado K. En la década de los 70 desarrollaron técnicas para medir el milésimo grado y hoy en día alcanzan el millón.
Las propiedades del helio líquido son básicamente las que aprovecha la física clásica de muy baja temperatura. Utiliza criostatos de dilución que han sido ultrasofisticados parientes a los frigoríficos de las viviendas y actualmente se vende aparatos para obtener 5 milicelvin.
En el caso de los criostatos de dilución, el enfriamiento de un material a la temperatura más baja puede durar mucho tiempo. El helio líquido se enfría hasta esta baja temperatura y el material que está en contacto con este helio se enfría y se mantiene frío.
Sin embargo, la Escuela Superior de París ha utilizado otro sistema. El físico Claude Cohen-Tannoudji y sus acompañantes han tenido un centímetro cúbico de cesio gaseoso en 2,5 microcelvinas durante unos pocos segundos, sólo en un momento punta.
Si se tiene en cuenta únicamente la temperatura al margen de la masa, la técnica denominada desimantación adiabática permite obtener temperaturas más frías. Mediante esta técnica, al igual que con el helio líquido o la cesio gaseoso, el bloque de material no se enfría, sino sólo algunas partículas de dicho bloque.
En 1956 el húngaro Nicholas Kurti enfrió en una barra de cobre los pequeños imanes (spines) que producen los núcleos de cobre hasta 12 microcelvines. Posteriormente, siguiendo el mismo camino, la finlandesa Lounasmaa ha alcanzado con sus colaboradores una temperatura de 20 nanocelvine (20x10 -9K). Hay que dejar claro, sin embargo, que las tres técnicas que emplean helio líquido, cesio gaseoso y desimantación adiabática respectivamente no tienen nada que ver. La medida de la temperatura es lo único común en las tres técnicas. Vamos a ver qué pasa a esas bajas temperaturas.
Organización de la materia en las tres técnicas
En general, la temperatura mide el grado de agitación de la materia. En los cuerpos calientes, las partículas circulan a gran velocidad. Por ejemplo, a una temperatura de 100°C, los átomos de cesio se desplazan a la deriva chocando a una velocidad de 300 m/s. Sin embargo, cuando la temperatura baja, el movimiento anárquico en caliente se calma, las partículas se ralentizan y la materia tiende a ordenarse. El gas primero se transforma en líquido y luego en sólido, las partículas se han organizado en la materia.
Los criostatos de dilución aprovechan los cambios de fase en el interior del helio (del gas al líquido) para descender hasta la milicelvine y se organiza cuando la materia se enfría.
En la desimantación adiabática, a una barra de cobre se le aplica un campo magnético de alta intensidad. Los spines del núcleo que hasta entonces vagaban sin rumbo se alinean en la dirección de las líneas de campo. Si la parte del metal está bien aislada de las aportaciones de calor externas y la intensidad del campo magnético disminuye lentamente, los spines se enfrían (no todo el metal) por estar preordenados.
La técnica utilizada en la Escuela Superior de París es la denominada refrigeración láser. El cesio gaseoso sobresale por un pequeño orificio del horno en una dirección determinada y contra este chorrito se lanza un rayo láser. Los fotones que tocan cada partícula de cesio frenan el movimiento, al igual que el coche el aire contrario. En cada choque con los fotones, la velocidad del átomo de cesio disminuye en 3 mm/s.
Parece que esta amortiguación no es enorme, pero tras chocar con muchos fotones, la velocidad del átomo se ha ralentizado hasta una temperatura de 2,5 microcelvines. De hecho, en un recorrido de dos metros con cien mil choques la velocidad baja de 300 m/s a un metro u otro segundo. Estos átomos congelados de este modo se almacenan en un almacén óptico donde se recogen seis rayos láser y se mantienen durante unos segundos a una velocidad de 1 cm/s o 2,5 microcelvines.
Cero absoluto inalcanzable
Como cada día se van consolidando las marcas, más de uno puede preguntar cuándo se alcanzará el cero absoluto. Los físicos están cada vez más cerca de ese cero, por supuesto, pero no creen que lleguen una vez más. Por un lado, hay razones prácticas que lo impiden. Al igual que no se puede conseguir un vacío total, tampoco es posible conseguir un cero absoluto por no tener que introducir calor en el campo de ensayo desde el exterior. Por otro lado, hay razones teóricas. El tercer principio de la termodinámica, que hasta ahora ha gobernado la física de los cambios térmicos, niega la posibilidad de bajar hasta el cero absoluto.
Propiedades sorprendentes de la materia
La razón principal para que los físicos trabajen a bajas temperaturas es que estudien mejor la materia. De hecho, el movimiento de las partículas por calor a temperatura ambiente oculta ciertas características físicas de la materia. Por debajo de la temperatura de 2,17 K, el isótopo helio 4 (con dos protones y dos neutrones) tiene un comportamiento sorprendente. Se vierte sin rozamiento alguno, sube por las paredes verticales de los recipientes, sale de un agujero más pequeño que la micra sin ninguna dificultad y transporta el calor un millón de veces más fácil que cualquier líquido: se convierte en un superfluido.
El helio es el único líquido conocido por el momento y hay que mencionar que estas características son similares a las de la superconductividad. La superconductividad es una propiedad especial de algunos metales. Por debajo de una temperatura determinada (por ejemplo, el aluminio por debajo de 1,12 K), el metal no pone ningún obstáculo al paso de la corriente eléctrica. La resistencia óhmica es, por tanto, cero. La corriente eléctrica introducida en un anillo, por ejemplo, tardaría millones de años en desaparecer de él.
Estas curiosas características de la materia se explican mediante la mecánica cuántica. A temperatura ambiente predomina el movimiento producido por el calor, pero a temperaturas frías las propiedades cuánticas de la materia se hacen públicas. En el helio superfluido, por ejemplo, se recogen grupos de átomos. En lugar de que cada átomo desplace su camino, se desplaza en grupo. Este fenómeno se conoce como condensación de Bose-Einstein, en honor a los dos físicos que anunciaron. En los metales superconductores se produce un efecto cuántico similar. Los electrones se juntan de dos en dos y se comportan como un grupo con un objetivo concreto.
El líquido presenta superfluidez y superconductividad en metales a bajas temperaturas. Aunque todavía no existen fenómenos similares en los gases, la Escuela Superior de París espera que el cesio gaseoso se vea enfriado a temperaturas más bajas que un microcelvin.
También se estudian otros fenómenos previstos en la física cuántica a temperaturas muy bajas, como la electrónica microscópica. En los circuitos de medida micra (los actuales chips electrónicos), las leyes clásicas de electricidad no son aplicables. A temperaturas cercanas a la décima parte de Kelvina, la resistencia eléctrica del circuito depende de las interferencias entre los electrones de la corriente. Para cambiar la resistencia basta con cambiar la posición de un átomo en el metal para cambiar la resistencia del circuito.
En estas condiciones, la teoría cuántica debe aparecer espontáneamente en un anillo metálico de muy pequeño diámetro la corriente eléctrica infinitesimal. Para detectar esta corriente tan pequeña, el CRTBT de Grenoble (Centro de Investigación a Muy Baja Temperatura) ha montado un sofisticado aparato de medida. Analizarán el campo magnético inducido para detectar en micras cuadradas una corriente eléctrica mil millones veces menor que el amperio.
También se están estudiando las bases del magnetismo de Grenoble. Los átomos del líquido Helio 3 (con un neutrón y dos protones en el núcleo) se comportan como imanes a bajas temperaturas, formando un sistema magnético muy simple. De esta forma se pretende comprobar diferentes teorías sobre el magnetismo.
Aplicaciones prácticas
Los fenómenos detectados a estas bajas temperaturas ya han comenzado a aplicarse. Con imanes de superconductores se obtienen campos magnéticos más baratos que las bobinas clásicas.
Los relojes atómicos de Cesio también se publicarán próximamente. Su precisión es 100 veces superior a la de los relojes actuales, a pesar de que la actual es impresionante (en diez millones de años sólo tienen un error de un segundo).
Los astrónomos también podrán disfrutar del minicriostato de dilución. Dado el tamaño de la caja de zapatos, se podrán utilizar en satélites para la refrigeración de los bolómetros. Los bolómetros son aparatos de alta precisión que se encargan de detectar y medir la energía que transportan las radiaciones luminosas. Sin embargo, trabajar a bajas temperaturas mejorará mucho.
Otras muchas mejoras se esperan gracias a estos curiosos fenómenos que se han conocido en esta rápida carrera hasta el cero absoluto.
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