En el límit del zero absolut
2007/05/01 Etxebeste Aduriz, Egoitz - Elhuyar Zientzia Iturria: Elhuyar aldizkaria
XVIII. A principis del segle XX, el físic Guillaume Amontons va concloure que, mentre estudiava la relació entre la temperatura i la pressió dels gasos, una disminució suficient de la temperatura significaria la desaparició de la pressió, per la qual cosa la temperatura havia de tenir un mínim. Així apareix per primera vegada el concepte de zero absolut. I, segons les estimacions d'Amontononons, aquest límit estava a -240 °C.
En el segle següent, Lord Kelvin va realitzar càlculs més precisos i va establir una escala absoluta de temperatura. Els graus d'aquesta escala tenen el mateix valor que els de l'escala Celsius, però l'escala Kelvin parteix del zero absolut. El zero absolut és, per tant, 0 K, i en l'escala Celsius -273,15 °C.
Per a entendre el zero absolut, el primer que cal saber és la temperatura. La temperatura és l'energia cinètica dels àtoms de la matèria. Quan la matèria està calenta, els àtoms o molècules es mouen ràpidament, és a dir, tenen una gran energia cinètica.
Quan la matèria és sòlida, els àtoms estan units entre si i el moviment és limitat. En un gas, no obstant això, podem imaginar als àtoms com a pilotetes volant en totes direccions. Com més calents, més ràpid es mouen les pilotes. Així, la temperatura indica la velocitat mitjana d'aquestes pilotes.
La disminució de la temperatura és, per tant, un amortiment dels àtoms, i si ho fa prou, arribaria un punt on els àtoms quedarien completament. Perquè com no pot haver-hi velocitats inferiors a zero, tampoc pot existir una temperatura menor. Aquí està el zero absolut.
Però també és impossible detenir completament un àtom, almenys d'acord amb el principi d'incertesa d'Heisenberg. Per tant, el zero absolut és un límit inassolible. La tercera llei de la termodinàmica també diu que és impossible arribar a zero absolut en un nombre finit de passos. No obstant això, els científics han tractat d'acostar-se el màxim possible i també ho han fet bastant.
Acostant a zero
XIX. En el segle XIX els investigadors van descobrir que la liqüefacció de diversos gasos, com l'hidrogen, l'oxigen i l'heli, permetia aconseguir temperatures molt baixes. I per a 1908 s'havia aconseguit una temperatura de 4,2 K.
A aquestes temperatures fredes, alguns materials obtenen 'superpoderes'. Alguns metalls, per exemple, es converteixen en superconductors, és a dir, la seva resistència al corrent elèctric disminueix a zero. També apareixen superfluids, líquids sense viscositat. És el cas de la liqüefacció de l'heli.
Però potser el fenomen més curiós és el dels condensats Bose-Einstein. Es tracta d'un nou estat de la matèria en el qual tots els àtoms es troben a un nivell quàntic de mínima energia.
Encara que teòricament era conegut anteriorment, el primer Bose-Einstein condensat va ser obtingut per Eric Cornell i Carl Weiman en 1995. Per a això va ser necessari aconseguir temperatures molt inferiors a les fins llavors. Els àtoms de rubidi es van refredar primer per làser i després van continuar refredant-se per evaporació "" fins a arribar a 170 nanocelvin (10-9 K). Mesos després, Wolfgang Ketterle també va aconseguir un altre condensat de Bosé-Einstein amb àtoms de sodi. Aquests tres físics van ser guardonats amb el Premi Nobel de Física de 2001 pel seu treball entorn dels condensats Bose-Einstein.
Un equip d'investigadors de l'Institut Tecnològic de Massachusetts, liderat per Ketterle, va aconseguir en 2003 el rècord de temperatura més baixa utilitzant la mateixa tècnica. Els àtoms de cesi van aconseguir refredar-se a 450 piccovirutas, és a dir, a 0,00000000045 sobre el zero absolut.
Refredament per làser
Per a aproximar-se tant al zero absolut, com s'ha dit, els àtoms es refreden primer per làser. El làser és un feix de fotons en el qual tots els fotons d'un làser són iguals, és a dir, tenen la mateixa energia.
Quan un fotó d'un determinat color o longitud d'ona toca un àtom, aquest absorbeix el fotó i després l'emet. El fotó té un moment i en aspirar aquest moment afecta a l'àtom. És a dir, en aspirar un fotó un àtom que va recte cap al làser, el moment de l'àtom disminueix tant com el moment del fotó. O cosa que és el mateix, el fotó empeny a l'àtom en sentit contrari, per la qual cosa l'esmorteeix. Aquest impuls és molt petit. Un fotó pot esmorteir 3 cm/s un àtom de sodi i els àtoms de sodi tenen una velocitat mitjana de 570 m/s a temperatura ambient. Paralitzar els àtoms amb els fotons equival a detenir una bola de bitlla mitjançant el llançament de pilotes de ping-pong. Però amb un làser es pot aconseguir que l'àtom absorbeixi 10 milions de fotons per segon.
D'altra banda, en emetre el fotó, l'àtom sofreix de nou una empenta, però en aquest cas el fotó pot sortir en qualsevol direcció, a l'atzar. D'aquesta manera, el moment o embranzida deguda a l'emissió després de diversos processos d'absorció, serà 0. Per tant, l'absorció de fotons pels àtoms en sentit contrari al seu moviment pot provocar un amortiment d'aquests. Per contra, si un fotó atrapés per darrere a un àtom en moviment, el moment de l'àtom augmentaria, és a dir, s'acceleraria i s'escalfaria.
I tenint en compte que en un gas els àtoms es mouen en totes les direccions, com es pot aconseguir que el fotó només s'absorbeixi en la direcció contrària al moviment dels àtoms? Aquí entra en joc l'efecte Doppler. Segons aquest efecte, un àtom que es mou cap al làser veuria el color desplaçat cap al blau, mentre que un que s'allunya veuria més vermellós del que és. Aquest canvi de color o longitud d'ona depèn a més de la velocitat.
D'aquesta manera, el làser d'un color determinat només afectarà els àtoms més ràpids als quals s'enfronten, no als més lents o que no van en la direcció adequada. A mesura que els àtoms es van esmorteint, serà necessari reduir la longitud d'ona del làser per a atenuar més els àtoms. I si col·loquem els làsers pertot arreu, aquest efecte s'aconsegueix en totes les direccions.
Paranys per a àtoms
Un altre problema és que aquests àtoms, encara que atenuats, segueixen en moviment i si toquen les parets es tornaran a escalfar. Per a evitar-ho s'utilitzen paranys làser. En els paranys làser, els làsers sempre empenyen als àtoms cap al centre, i l'àtom que sortirà del centre sempre troba un altre làser que li empenyi de nou cap al centre. Per a això es forma un camp magnètic que canvia de centre a exterior. El camp magnètic canvia lleugerament el color del làser i torna a succeir el que abans ocorria amb l'efecte Doppler. Però si abans l'embranzida provocada pel làser depenia de la velocitat i direcció de l'àtom, ara dependrà de la posició.
Així, els àtoms es poden refredar fins a un punt, aproximadament 0,0001 K. Però si es vol refredar més, cal deixar els fotons a un costat. De fet, els fotons continuen donant petites embranzides als àtoms esmorteïts, moviments que no permeten aconseguir la temperatura desitjada.
Per a continuar reduint la temperatura, primer cal aconseguir que els àtoms es mantinguin en el centre sense tocar les parets calentes, però sense l'ajuda dels fotons. Això es fa amb un altre parany, un parany magnètic. S'utilitza un potent camp magnètic que actua directament sobre els àtoms, i si el camp magnètic és apropiat, els àtoms poden mantenir-se en el centre.
Una vegada obtingut, es pot seguir amb l'evaporació "" refredant aquests àtoms freds. En aquest cas, el principi és el mateix que quan es refreda el brou. Les partícules més energètiques del brou s'escapoleixen en forma de vapor. En fer-ho porten una mica de calor i els àtoms que queden en el saldo es refreden. Perquè amb els àtoms freds es fa el mateix; als quals més energia tenen se'ls permet escapar del parany magnètic. Per a això, el camp magnètic disminueix progressivament, els que tenen més energia es treuen i els que queden es refreden més.
Així s'obté el condensat Bose-Einstein. No és fàcil comprendre el que ocorre en aquest nou tipus de matèries, ja que no té res a veure amb la matèria comuna. Tots els àtoms es troben en el mateix estat quàntic, al nivell més baix. Això significa que tots els àtoms són exactament iguals i que es mouen tots alhora, en perfecta sincronització. Per tant, és impossible separar un àtom de l'altre. A més, tots els àtoms ocupen el mateix lloc, tots formen una massa comuna. Per això hi ha qui els ha anomenat superátomos.
La matèria més freda mai obtinguda és la condensada del Bosé-Einstein del cesi o el superátomo de cesi. No obstant això, aquest superátomo encara té moviment, té energia i, per tant, té temperatura. No està del tot fred, però és aquí, en el límit del zero absolut.
Gai honi buruzko eduki gehiago
Elhuyarrek garatutako teknologia
