Cero absoluto cada vez máis cerca
1991/09/01 Otaolaurretxi, Jon Iturria: Elhuyar aldizkaria
Na Escola Xeral Superior de París, o ano pasado alcanzouse a temperatura máis baixa nalgúns átomos de cesio: 2,5 millóns de Kelvin. Pero unhas semanas máis tarde a noticia chegou de Washington, porque Carl Wieman baixara no seu laboratorio a marca até o 1,1 microcelvión (1,1x10 -6K).
Tres técnicas diferentes
Na carreira até o cero absoluto, os físicos non pairan de superar os obstáculos tras a batalla. É memorable a marca que obtivo en 1908 o holandés Kamerlingh Onnes. El, no seu laboratorio, converteuno nun líquido refrigerado antes que ninguén a unha temperatura de 4,3 K. Desde entón, os físicos mergulláronse nos submúltiplos do grao K. Na década dos 70 desenvolveron técnicas paira medir o milésimo grao e hoxe en día alcanzan o millón.
As propiedades do helio líquido son basicamente as que aproveita a física clásica de moi baixa temperatura. Utiliza criostatos de dilución que foron ultrasofisticados parentes aos frigoríficos das vivendas e actualmente véndese aparellos paira obter 5 milicelvin.
No caso dos criostatos de dilución, o arrefriado dun material á temperatura máis baixa pode durar moito tempo. O helio líquido arrefríase até esta baixa temperatura e o material que está en contacto con este helio arrefríase e mantense frío.
Con todo, a Escola Superior de París utilizou outro sistema. O físico Claude Cohen-Tannoudji e os seus acompañantes tiveron un centímetro cúbico de cesio gaseoso en 2,5 microcelvinas durante uns poucos segundos, só nun momento punta.
Si tense en conta unicamente a temperatura á marxe da masa, a técnica denominada desimantación adiabática permite obter temperaturas máis frías. Mediante esta técnica, do mesmo xeito que co helio líquido ou a cesio gaseoso, o bloque de material non se arrefría, senón só algunhas partículas de devandito bloque.
En 1956 o húngaro Nicholas Kurti arrefriou nunha barra de cobre os pequenos imáns (spines) que producen os núcleos de cobre até 12 microcelvines. Posteriormente, seguindo o mesmo camiño, a finlandesa Lounasmaa alcanzou cos seus colaboradores una temperatura de 20 nanocelvine (20x10 -9K). Hai que deixar claro, con todo, que o tres técnicas que empregan helio líquido, cesio gaseoso e desimantación adiabática respectivamente non teñen nada que ver. A medida da temperatura é o único común no tres técnicas. Imos ver que pasa a esas baixas temperaturas.
Organización da materia no tres técnicas
En xeral, a temperatura mide o grao de axitación da materia. Nos corpos quentes, as partículas circulan a gran velocidade. Por exemplo, a unha temperatura de 100°C, os átomos de cesio desprázanse á deriva chocando a unha velocidade de 300 m/s. Con todo, cando a temperatura baixa, o movemento anárquico en quente se calma, as partículas retárdanse e a materia tende a ordenarse. O gas primeiro transfórmase en líquido e logo en sólido, as partículas organizáronse na materia.
Os criostatos de dilución aproveitan os cambios de fase no interior do helio (do gas ao líquido) paira descender até a milicelvine e organízase cando a materia arrefríase.
Na desimantación adiabática, a unha barra de cobre aplícaselle un campo magnético de alta intensidade. Os spines do núcleo que até entón vagaban sen rumbo alíñanse na dirección das liñas de campo. Si a parte do metal está ben illada das achegas de calor externas e a intensidade do campo magnético diminúe lentamente, os spines arrefríanse (non todo o metal) por estar preordenados.
A técnica utilizada na Escola Superior de París é a denominada refrixeración láser. O cesio gaseoso sobresae por un pequeno orificio do forno nunha dirección determinada e contra este chorrito lánzase un raio láser. Os fotóns que tocan cada partícula de cesio frean o movemento, do mesmo xeito que o coche o aire contrario. En cada choque cos fotóns, a velocidade do átomo de cesio diminúe en 3 mm/s.
Parece que esta amortiguación non é enorme, pero tras chocar con moitos fotóns, a velocidade do átomo retardouse até unha temperatura de 2,5 microcelvines. De feito, nun percorrido de dous metros con cen mil choques a velocidade baixa de 300 m/s a un metro ou outro segundo. Estes átomos conxelados deste xeito almacénanse nun almacén óptico onde se recollen seis raios láser e mantéñense durante uns segundos a unha velocidade de 1 cm/s ou 2,5 microcelvines.
Cero absoluto inalcanzable
Como cada día vanse consolidando as marcas, máis dun pode preguntar cando se alcanzará o cero absoluto. Os físicos están cada vez máis preto dese cero, por suposto, pero non creen que cheguen una vez máis. Por unha banda, hai razóns prácticas que o impiden. Do mesmo xeito que non se pode conseguir un baleiro total, tampouco é posible conseguir un cero absoluto por non ter que introducir calor no campo de ensaio desde o exterior. Doutra banda, hai razóns teóricas. O terceiro principio da termodinámica, que até agora gobernou a física dos cambios térmicos, nega a posibilidade de baixar até o cero absoluto.
Propiedades sorprendentes da materia
A razón principal para que os físicos traballen a baixas temperaturas é que estuden mellor a materia. De feito, o movemento das partículas por calor a temperatura ambiente oculta certas características físicas da materia. Por baixo da temperatura de 2,17 K, o isótopo helio 4 (con dous protones e dous neutróns) ten un comportamento sorprendente. Vértese sen rozamiento algún, sobe polas paredes verticais dos recipientes, salgue dun buraco máis pequeno que a micra sen ningunha dificultade e transporta a calor un millón de veces máis fácil que calquera líquido: convértese nun superfluido.
O helio é o único líquido coñecido polo momento e hai que mencionar que estas características son similares ás da superconductividad. A superconductividad é una propiedade especial dalgúns metais. Por baixo dunha temperatura determinada (por exemplo, o aluminio por baixo de 1,12 K), o metal non pon ningún obstáculo ao paso da corrente eléctrica. A resistencia óhmica é, por tanto, cero. A corrente eléctrica introducida nun anel, por exemplo, tardaría millóns de anos en desaparecer del.
Estas curiosas características da materia explícanse mediante a mecánica cuántica. A temperatura ambiente predomina o movemento producido pola calor, pero a temperaturas frías as propiedades cuánticas da materia fanse públicas. No helio superfluido, por exemplo, recóllense grupos de átomos. En lugar de que cada átomo desprace o seu camiño, desprázase en grupo. Este fenómeno coñécese como condensación de Bose-Einstein, en honra aos dous físicos que anunciaron. Nos metais superconductores prodúcese un efecto cuántico similar. Os electróns xúntanse de dous en dous e compórtanse como un grupo cun obxectivo concreto.
O líquido presenta superfluidez e superconductividad en metais a baixas temperaturas. Aínda que aínda non existen fenómenos similares nos gases, a Escola Superior de París espera que o cesio gaseoso véxase arrefriado a temperaturas máis baixas que un microcelvin.
Tamén se estudan outros fenómenos previstos na física cuántica a temperaturas moi baixas, como a electrónica microscópica. Nos circuítos de medida micra (os actuais chips electrónicos), as leis clásicas de electricidade non son aplicables. A temperaturas próximas á décima parte de Kelvina, a resistencia eléctrica do circuíto depende das interferencias entre os electróns da corrente. Paira cambiar a resistencia basta con cambiar a posición dun átomo no metal paira cambiar a resistencia do circuíto.
Nestas condicións, a teoría cuántica debe aparecer espontaneamente nun anel metálico de moi pequeno diámetro a corrente eléctrica infinitesimal. Paira detectar esta corrente tan pequena, o CRTBT de Grenoble (Centro de Investigación a Moi Baixa Temperatura) montou un sofisticado aparello de medida. Analizarán o campo magnético inducido paira detectar en micras cadradas una corrente eléctrica mil millóns veces menor que o amperio.
Tamén se están estudando as bases do magnetismo de Grenoble. Os átomos do líquido Helio 3 (cun neutrón e dous protones no núcleo) compórtanse como imáns a baixas temperaturas, formando un sistema magnético moi simple. Desta forma preténdese comprobar diferentes teorías sobre o magnetismo.
Aplicacións prácticas
Os fenómenos detectados a estas baixas temperaturas xa comezaron a aplicarse. Con imáns de superconductores obtéñense campos magnéticos máis baratos que as bobinas clásicas.
Os reloxos atómicos de Cesio tamén se publicarán proximamente. A súa precisión é 100 veces superior á dos reloxos actuais, a pesar de que a actual é impresionante (en dez millóns de anos só teñen un erro dun segundo).
Os astrónomos tamén poderán gozar do minicriostato de dilución. Dado o tamaño da caixa de zapatos, poderanse utilizar en satélites paira a refrixeración dos bolómetros. Os bolómetros son aparellos de alta precisión que se encargan de detectar e medir a enerxía que transportan as radiacións luminosas. Con todo, traballar a baixas temperaturas mellorará moito.
Outras moitas melloras espéranse grazas a estes curiosos fenómenos que se coñeceron nesta rápida carreira até o cero absoluto.
Gai honi buruzko eduki gehiago
Elhuyarrek garatutako teknologia
