No límite do cero absoluto
2007/05/01 Etxebeste Aduriz, Egoitz - Elhuyar Zientzia Iturria: Elhuyar aldizkaria
XVIII. A principios do século XX, o físico Guillaume Amontons concluíu que, mentres estudaba a relación entre a temperatura e a presión dos gases, una diminución suficiente da temperatura significaría a desaparición da presión, polo que a temperatura debía ter un mínimo. Así aparece por primeira vez o concepto de cero absoluto. E, segundo as estimacións de Amontononons, este límite estaba a -240 ºC.
No século seguinte, Lord Kelvin realizou cálculos máis precisos e estableceu una escala absoluta de temperatura. Os graos desta escala teñen o mesmo valor que os da escala Celsius, pero a escala Kelvin parte do cero absoluto. O cero absoluto é, por tanto, 0 K, e na escala Celsius -273,15ºC.
Paira entender o cero absoluto, o primeiro que hai que saber é a temperatura. A temperatura é a enerxía cinética dos átomos da materia. Cando a materia está quente, os átomos ou moléculas móvense rapidamente, é dicir, teñen una gran enerxía cinética.
Cando a materia é sólida, os átomos están unidos entre si e o movemento é limitado. Nun gas, con todo, podemos imaxinar aos átomos como pelotitas voando en todas direccións. Canto máis quentes, máis rápido móvense as pelotas. Así, a temperatura indica a velocidade media destas pelotas.
A diminución da temperatura é, por tanto, un amortiguamiento dos átomos, e se o fai suficientemente, chegaría un punto onde os átomos quedarían completamente. Pois como non pode haber velocidades inferiores a cero, tampouco pode existir una temperatura menor. Aí está o cero absoluto.
Pero tamén é imposible deter completamente un átomo, polo menos de acordo co principio de incerteza de Heisenberg. Por tanto, o cero absoluto é un límite inalcanzable. A terceira lei da termodinámica tamén di que é imposible chegar a cero absoluto nun número finito de pasos. Con todo, os científicos trataron de achegarse o máximo posible e tamén o fixeron bastante.
Achegando a cero
XIX. No século XIX os investigadores descubriron que a licuefacción de varios gases, como o hidróxeno, o osíxeno e o helio, permitía alcanzar temperaturas moi baixas. E paira 1908 alcanzouse una temperatura de 4,2 K.
A estas temperaturas frías, algúns materiais obteñen 'superpoderes'. Algúns metais, por exemplo, convértense en superconductores, é dicir, a súa resistencia á corrente eléctrica diminúe a cero. Tamén aparecen superfluidos, líquidos sen viscosidad. É o caso da licuefacción do helio.
Pero quizais o fenómeno máis curioso sexa o dos condensados Bose-Einstein. Trátase dun novo estado da materia no que todos os átomos atópanse a un nivel cuántico de mínima enerxía.
Aínda que teoricamente era coñecido anteriormente, o primeiro Bose-Einstein condensado foi obtido por Eric Cornell e Carl Weiman en 1995. Paira iso foi necesario alcanzar temperaturas moi inferiores ás até entón. Os átomos de rubidio arrefriáronse primeiro por láser e logo continuaron arrefriándose por evaporación "" até chegar a 170 nanocelvin (10-9 K). Meses despois, Wolfgang Ketterle tamén conseguiu outro condensado de Bosé-Einstein con átomos de sodio. Estes tres físicos foron galardoados co Premio Nobel de Física de 2001 polo seu traballo ao redor dos condensados Bose-Einstein.
Un equipo de investigadores do Instituto Tecnolóxico de Massachusetts, liderado por Ketterle, logrou en 2003 a marca de temperatura máis baixa utilizando a mesma técnica. Os átomos de cesio lograron arrefriarse a 450 piccovirutas, é dicir, a 0,00000000045 sobre o cero absoluto.
Arrefriado por láser
Paira aproximarse tanto ao cero absoluto, como se dixo, os átomos arrefríanse primeiro por láser. O láser é un fai de fotóns no que todos os fotóns dun láser son iguais, é dicir, teñen a mesma enerxía.
Cando un fotón dunha determinada cor ou lonxitude de onda toca un átomo, este absorbe o fotón e logo emíteo. O fotón ten un momento e ao aspirar ese momento afecta o átomo. É dicir, ao aspirar un fotón un átomo que vai recto cara ao láser, o momento do átomo diminúe tanto como o momento do fotón. Ou o que é o mesmo, o fotón empuxa ao átomo en sentido contrario, polo que o amortece. Este impulso é moi pequeno. Un fotón pode amortecer 3 cm/s un átomo de sodio e os átomos de sodio teñen una velocidade media de 570 m/s a temperatura ambiente. Paralizar os átomos cos fotóns equivale a deter una bóla de birlo mediante o lanzamento de pelotas de ping-pong. Pero cun láser pódese conseguir que o átomo absorba 10 millóns de fotóns por segundo.
Por outra banda, ao emitir o fotón, o átomo sofre de novo un empuxón, pero neste caso o fotón pode saír en calquera dirección, ao azar. Deste xeito, o momento ou empuxe debido á emisión tras varios procesos de absorción, será 0. Por tanto, a absorción de fotóns polos átomos en sentido contrario ao seu movemento pode provocar una amortiguación dos mesmos. Pola contra, se un fotón atrapase por detrás a un átomo en movemento, o momento do átomo aumentaría, é dicir, aceleraríase e quentaríase.
E tendo en conta que nun gas os átomos móvense en todas as direccións, como se pode conseguir que o fotón só se absorba na dirección contraria ao movemento dos átomos? Aí entra en xogo o efecto Doppler. Segundo este efecto, un átomo que se move cara ao láser vería a cor desprazada cara ao azul, mentres que uno que se afasta vería máis avermellado do que é. Este cambio de cor ou lonxitude de onda depende ademais da velocidade.
Deste xeito, o láser dunha cor determinada só afectará os átomos máis rápidos aos que se enfrontan, non aos máis lentos ou que non van na dirección adecuada. A medida que os átomos se van amortecendo, será necesario reducir a lonxitude de onda do láser paira atenuar máis os átomos. E si colocamos os láseres por todas partes, este efecto conséguese en todas as direccións.
Trampas paira átomos
Outro problema é que estes átomos, aínda que atenuados, seguen en movemento e si tocan as paredes volveranse a quentar. Paira evitalo utilízanse trampas láser. Nas trampas láser, os láseres sempre empuxan aos átomos cara ao centro, e o átomo que vai saír do centro sempre atopa outro láser que lle empuxe de novo cara ao centro. Paira iso fórmase un campo magnético que cambia de centro a exterior. O campo magnético cambia lixeiramente a cor do láser e volve suceder o que antes ocorría co efecto Doppler. Pero si antes o empuxe provocado polo láser dependía da velocidade e dirección do átomo, agora dependerá da posición.
Así, os átomos pódense arrefriar até un punto, aproximadamente 0,0001 K. Pero si quérese arrefriar máis, hai que deixar os fotóns ao carón. De feito, os fotóns seguen dando pequenos empuxes aos átomos amortecidos, movementos que non permiten alcanzar a temperatura desexada.
Paira seguir reducindo a temperatura, primeiro hai que conseguir que os átomos se manteñan no centro sen tocar as paredes quentes, pero sen a axuda dos fotóns. Isto faise con outra trampa, una trampa magnética. Utilízase un potente campo magnético que actúa directamente sobre os átomos, e se o campo magnético é apropiado, os átomos poden manterse no centro.
Una vez obtido, pódese seguir coa "evaporación" arrefriando estes átomos fríos. Neste caso, o principio é o mesmo que cando se arrefría o caldo. As partículas máis enerxéticas do caldo fóxense en forma de vapor. Ao facelo levan un pouco de calor e os átomos que quedan no saldo arrefríanse. Pois cos átomos fríos faise o mesmo; aos que máis enerxía teñen permíteselles escapar da trampa magnética. Paira iso, o campo magnético diminúe progresivamente, os que teñen máis enerxía sácanse e os que quedan arrefríanse máis.
Así se obtén o condensado Bose-Einstein. Non é fácil comprender o que ocorre neste novo tipo de materias, xa que non ten nada que ver coa materia común. Todos os átomos atópanse no mesmo estado cuántico, ao nivel máis baixo. Isto significa que todos os átomos son exactamente iguais e que se moven todos á vez, en perfecta sincronización. Por tanto, é imposible separar un átomo do outro. Ademais, todos os átomos ocupan o mesmo lugar, todos forman una masa común. Por iso hai quen lles chamou superátomos.
A materia máis fría xamais obtida é a condensada do Bosé-Einstein do cesio ou o superátomo de cesio. Con todo, este superátomo aínda ten movemento, ten enerxía e, por tanto, ten temperatura. Non está do todo frío, pero está aí, no límite do cero absoluto.
Gai honi buruzko eduki gehiago
Elhuyarrek garatutako teknologia
