Respuestas (LXXXII): ¿Qué tienen de especial los condensados de Bose-Einstein?

Igual que otros muchos lectores antes que él, Álex Molero me ha mandado un correo electrónico a jordipereyra@cienciadesofa.com pidiéndome que escriba un artículo sobre un estado de la materia que seguramente os suene de algo, aunque tenga un nombre un tanto extraño: el condensado de Bose-Einstein.

¡Vaya si me suena! De hecho, me empezaré a preocupar el día que salga a la calle y nadie me pare para hablarme de los condensados de Bose-Einstein.

Vale, vale. Captado, voz cursiva. Empecemos poniendo algo de contexto sobre eso de los estados de la materia.

Como comenté en esta otra entrada en la que explicaba por qué los charcos se secan aunque el agua no hierva, las partículas que componen todas las cosas que nos rodean están en constante movimiento. Es más, lo que nuestros cuerpos interpretan como temperatura no es más que la velocidad con la que se mueven las moléculas: un objeto nos parecerá caliente al tacto si sus moléculas se mueven deprisa y frío si se mueven más despacio, como podéis ver en el siguiente vídeo.

Las partículas de la caja izquierda (más lentas) están más frías que las de la derecha (más rápidas).

Pero este movimiento tiene otras consecuencias interesantes.

El estado en el que se encuentra la materia también depende de la temperatura y, por tanto, de la velocidad de sus moléculas. Por ejemplo, una sustancia sólo permanecerá en estado sólido si sus moléculas vibran tan despacio que se puedan unir químicamente unas con otras, formando una estructura más o menos rígida.

Pero, como la velocidad a la que se mueven las moléculas aumenta con la temperatura, un objeto sólido puede llegar a estar tan caliente que sus moléculas vibren de manera demasiado violenta como para continuar enganchadas. Cuando esto ocurre, los enlaces químicos se deshacen, la estructura se desmorona y los átomos quedan desparramados por el suelo. Y eso es lo que pasa cuando una sustancia pasa de estado sólido (una estructura ordenada) a líquido (un amasijo desordenado). O cuando se funde, que es lo mismo.

La temperatura a la que una sustancia deja de poder mantenerse en estado sólido cambia en función de lo fuertes que sean sus enlaces químicos. El hielo, por ejemplo, se funde a 0ºC, mientras que el acero no lo hace hasta unos 1.400ºC porque sus átomos están unidos por enlaces mucho más fuertes.

Pero, además, si sigues calentando un líquido, tarde o temprano alcanzarás una temperatura tan alta que ni siquiera las fuerzas cohesivas que mantienen a los átomos agrupados podrán mantenerlos pegados. Llegados a este punto, los átomos se moverán tan rápido que empezarán a salir despedidos del líquido y la sustancia se convertirá en un gas, un proceso también llamado evaporación.

¿Y qué pasa si aumentas la temperatura aún más?

Pues que las colisiones entre los átomos serán tan fuertes que algunos de ellos perderán electrones al chocar. Este gas que adquiere cierta carga eléctrica (o que está ionizado, que es lo mismo), es ese cuarto estado de la materia al que la gente llama plasma.

Un filamento de plasma creado en un laboratorio. (Fuente)

Bueno, vale, de acuerdo… ¿Y qué tiene todo esto que ver con los condensados de no se qué?

Pues que los condensados de Bose-Einstein son otro estado más de la materia que, en este caso, aparece cuando la temperatura baja muchísimo y los átomos se mueven muy despacio.

La temperatura más baja posible es el llamado cero absoluto (-273,15ºC), que tiene lugar cuando los átomos están totalmente quietos. Técnicamente, un átomo nunca puede llegar a enfriarse tanto porque los efectos cuánticos provocan leves movimientos que no se pueden eliminar, así que la temperatura más baja que jamás se ha alcanzado en un laboratorio (y puede que en el universo) se consiguió en 2003, cuando un gas se enfrió hasta una que quedó sólo una milmillonésima de grado por encima del cero absoluto.

Y a temperaturas cercanas al cero absoluto, la materia empieza a hacer cosas raras a nivel subatómico.

Resulta que, como vimos en esta otra entrada sobre la mecánica cuántica, los electrones no son bolitas que dan vueltas alrededor del núcleo del átomo igual que los planetas giran alrededor del sol, sino que existen como una especie de nube de carga eléctrica que representa las posiciones en las que es más probable que se encuentren en cualquier momento.

Varias configuraciones que pueden adoptar los electrones alrededor de los átomos. (Fuente)

Este dato es muy importante para entender el tema de hoy porque, cuanto más frío está un átomo y, por tanto, más despacio se mueve, más aumenta el tamaño de esa nube estadística en la que están distribuidos los electrones.

¿Pero cómo puede ser? ¿Qué tiene que ver la temperatura con los electrones?

Pues porque el parámetro que determina el tamaño de la región en la que los electrones se mueven, su longitud de onda, depende del momento de esa partícula, que no es más que el producto de su masa por su velocidad. Por tanto, si un átomo está muy frío y se mueve muy despacio, el momento de su electrones también disminuye y, al ser inversamente proporcional a él, su longitud de onda aumenta.

Y aquí llega lo interesante: si enfrías un grupo de átomos hasta temperaturas cercanas al cero absoluto, la longitud de onda de los electrones aumentará tanto que las “nubes de carga eléctrica” de cada uno de ellos se empiecen a solapar.

En esta animación podréis ver el efecto mucho mejor.

Recordemos que estas “nubes” representan todas las posiciones en las que se pueden encontrar los electrones alrededor de cada átomo así que, cuando más de una se solapa, los electrones de cada átomo dejan de estar anclados a su núcleo y, de repente, se pueden encontrar alrededor de cualquier otro conjunto. Cuando esto ocurre, el grupo de átomos empieza a comportarse como si fuera uno solo… Y eso es precisamente un condensado de Bose-Einstein.

¡¿Quéeee?! ¡¿Entonces, si juntaras suficientes átomos y los convirtieras en un condensado de Bose-Einstein, podrías crear un átomo gigante que pudieras sujetar en la mano?!

No, voz cursiva. Como puedes ver en la imagen anterior, que las funciones de onda de los electrones de cada átomo se solapen entre ellas no implica que los núcleos de los átomos se unan para formar otro núcleo mucho más grande (y, además, ya vimos que es imposible que existan núcleos atómicos tan grandes). En realidad, un condensado de Bose-Eintesin simplemente es un estado en el que cualquier perturbación que sufra uno de los átomos del grupo se propagará a través de todos ellos, de manera que todos notarán el mismo efecto.

Aaaaah… ¿Y ya está?

¿Qué quieres decir?

No sé, digo yo que los condensados de Bose-Einstein tendrán algún efecto interesante que me pueda ayudar a entender qué diablos significa lo que acabas de decir, ¿no?

Bueno, sí, hay una cosa que nos puede ayudar a visualizar las extrañas consecuencias de este efecto: los superfluidos, que son sustancias con viscosidad nula y que, por tanto, se mueven sin fricción, una propiedad inusual que hace que se comporten de manera muy poco intuitiva.

Por ejemplo, en el siguiente vídeo se puede ver un cuenco lleno de helio aparentemente líquido y extremadamente frío que está goteando. A primera vista no parece que esté pasando nada raro… Hasta que te das cuenta de que no gotea porque haya un agujero en la base del recipiente: en realidad, el helio se encuentra en fase de superfluido y está escalando las paredes interiores del recipiente hasta derramarse por el borde.

Si os interesa, aquí tenéis otro vídeo del fenómeno.

¡¿Quéee?! ¡¿Entonces esa sustancia tiene propiedades antigravitatorios?!

No, no, voz cursiva, los materiales antigravitatorios no existen. Explicaré el fenómeno en un momento, pero primero déjame enseñarte otra propiedad curiosa del helio superfluido.

En este otro vídeo aparece un recipiente lleno de helio líquido que tiene una base cerámica microporosa (llena de agujeros de alrededor de un micrómetro de diámetro, vaya). El recipiente es capaz de retener el helio sin problemas mientras está en fase líquida pero, en cuanto se enfría lo suficiente y alcanza la fase de superfluido, de repente empieza fluir a través de la base como si algo la hubiera roto (a partir del minuto 1:50, más o menos).

Pero no se ha roto nada, por supuesto: al contrario que los líquidos ordinarios, el helio superfluido puede colarse a través de esos poros diminutos sin ningún problema.

Sí, vale, fascinante. ¿Me puedes decir ya por qué ocurren estas cosas?

Por supuesto, voz cursiva: los superfluidos se comportan de esta manera porque, a -271ºC, sus átomos están tan fríos que han entrado en la fase de condensado de Bose-Einstein y, por tanto, se comportan como un sólo átomo en vez de como un grupo de entidades separadas.

Esto explica por qué los superfluidos pueden colarse a través de poros que los líquidos ordinarios no pueden atravesar. En condiciones normales, los átomos del líquido que se encuentran más cerca de las paredes de un agujero se mueven más despacio que las que van por el centro, así que entre las dos capas del fluido que se mueven a distinta velocidad aparece fricción, lo que impide el paso de la sustancia a través de poros muy pequeños.

Pero entre los átomos “sincronizados” de un superfluido no existe fricción porque todos responden de la misma manera a las interacciones con su entorno. Por tanto, sin la viscosidad de por medio, los átomos del centro del agujero terminan fluyendo a la misma velocidad que los que tocan las paredes, así que todos pueden pasar libremente a través de los poros diminutos sin molestarse entre ellos.

El caso del superfluido que escala por las paredes del recipiente es más difícil de explicar. Este efecto se suele atribuir al fenómeno de la capilaridad, el mismo que hace que el agua que toca las paredes de un recipiente esté un poco más alta que el resto de su superficie. Esto ocurre ocurre porque la fuerza que mantiene unidas las moléculas de agua es menor que la que las atrae hacia las paredes del recipiente.

(Fuente)

En base a esto, hay quién intenta explicar el fenómeno diciendo que el helio superfluido sufre un efecto parecido al tocar las paredes del recipiente, amplificado por la “sincronización” entre sus átomos. Pero, aunque se cree que su estado de condensado de Bose-Einstein forma parte de la explicación, la intervención de la capilaridad no convence a todo el mundo .

¿Y ya está? No te ofendas, pero esperaba unas explicaciones más gráficas y elaboradas.

Lo sé, voz cursiva, lo sé. Por desgracia, como todo lo que tiene que ver con la mecánica cuántica, el tema es bastante más complejo de lo que parece. En realidad, he puesto los superfluidos como ejemplo porque no sólo se ven afectados por el fenómeno por el que ha preguntado Álex sino que, además, existen vídeos que nos permiten hacernos una idea de las extrañas propiedades de los condensados de Bose-Einstein.

Pero, antes de terminar, me gustaría dejar claro que un condensado de Bose-Einstein y un superfluido no son sinónimos.

Es verdad que los superfluidos se comportan como condensados de Bose-Einstein, pero no todos los condensados son superfluidos. De hecho, el helio es el único elemento que se mantiene líquido a las temperaturas extremadamente bajas en las que se manifiestan las características de los condensados de Bose-Einstein. Por tanto, aunque los átomos de otros elementos también se “sincronizan” en las condiciones adecuadas, sólo el helio permanece en un estado en el que puede fluir a esas temperaturas.

En cualquier caso, los condensados de Bose-Einstein son un fenómeno que aún se está estudiando, pero se especula que en un futuro podrían llegar a tener muchas aplicaciones, desde aparatos de medición mucho más precisos hasta los ordenadores cuánticos.

Y hasta aquí la entrada de hoy. Para variar, os dejo con la publicidad poco invasiva de Ciencia de Sofá.

Ciencia de Sofá tiene un libro nuevo, “Las 4 fuerzas que rigen el universo“. En él hablo sobre cómo las cuatro fuerzas fundamentales dan forma a nuestro universo, su descubrimiento y su efecto sobre nuestras vidas. Por otro lado, el libro “viejo” (“El universo en una taza de café“) va por la tercera edición y ahora vuelvo a ofrecer suscripciones a la revista de National Geographic así que, si os interesa alguna de estas propuestas, podéis acceder a una entrada donde las explico con más detalle haciendo click sobre la siguiente imagen 🙂

 

8 pensamientos en “Respuestas (LXXXII): ¿Qué tienen de especial los condensados de Bose-Einstein?”

  1. Interesante artículo Jordi. Siempre aprendo algo nuevo con cada entrada de tu blog. Enhorabuena por tu dedicación, y por hacer que cosas tan complicadas parezcan sencillas.

  2. Una explicación magnífica, pero una lástima que no pudiese haberla leído hace ya algo más de un año cuando tuve que exponer de esto mismo… Por entonces estaba en 1 de bachillerato y teníamos una asignatura llamada cultura científica y ese era mi trabajo final, te lo podrías imaginar: todos haciendo exposiciones sobre volcanes o enfermedades raras y yo con esta frikada (cuando lo pienso, a veces me río de mí mismo y esto me lo ha hecho recordar) y el profesor, que era físico, me imagino que estaría diciendo: este tío no tiene ni puta idea! pero le dejo que hable, que por lo menos se lo ha currado y es un tema complicado…

    Por cierto, ¿Qué hay de los superconductores? son también un tipo de condensado, pero me surge una duda ¿No existen también superconductores muy por encima del cero absoluto? por ejemplo el grafeno, ¿Cómo lo hacen? Me gustaría saber más de este fenómeno

  3. Como siempre interesantísima. Felicidades. Quedo a la espera de alguna entrada sobre la 3 ley de la termodinámica y por qué no se puede enfriar algo hasta el cero absoluto… Un abrazo

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