El estado Bose-Einstein y Fermiónico. El quinto y sexto estado de la materia. Aplicaciones.

¿Qué conoces del quinto y sexto estado de la materia?

Quinto estado físico de la materia.

Satyendra Nath Bose

En 1920, Santyendra Natl Bose desarrolló una estadística mediante la cual se estudiaba cuando dos fotones debían ser considerados como iguales o diferentes. Envió sus estudios a Albert Einstein, con el fin de que lo apoyara a publicar su novedoso estudio. Einstein aplicó lo desarrollado por Bose a los átomos y predijeron en conjunto el quinto estado dela materia en 1924.

Los estadounidenses Eric A. Cornell y Carl E. Wieman, y el alemán Wolfgang Ketterle fueron galardonados con el premio Nobel de Física 2001, según informó la Real Academia Sueca de Ciencias. El galardón se les concedió por haber descubierto el quinto estado físico de la materia, la condensación Bose-Einstein, un estado extremo de la materia en el cual los átomos dejan de comportarse de manera "normal". Este fenómeno, pronosticado por Albert Einstein hace 70 años, fue realizado y observado por vez primera en 1995 por los tres físicos laureados.

Los tres galardonados forman parte de una misma generación de jóvenes científicos en el campo de la Física. Cornell nació en 1961 y desarrolla su trabajo en el Instituto Nacional de Medidas y Tecnología de Boulder (Colorado); Weiman nació en 1951 e investiga en la Universidad de Colorado, mientras que Ketterle nació en 1957 y trabaja en el Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT), en Cambridge. Cornell y Wieman trabajan también en el JILA, un instituto de investigación en Boulder, antes conocido como el Instituto Conjunto de Astrofísica en Laboratorio. Ketterle trabajaba de manera independiente en Alemania, antes de incorporarse al MIT en 1990.

Carl E. Wieman

Wolfgang Ketterle

Eric A. Cornell

La investigación ayudará también a que los científicos midan fundamentales de la materia. “las aplicaciones revolucionarias (...) parecen estar justo a la vuelta de la esquina", añadió la academia. El término Bose-Einstein se refiere al físico indio Santyendra Natl Bose (descubridor del bosón) y al alemán Albert Einstein. En 1924, Bose realizó investigaciones sobre las partículas de luz llamadas "fotones” y envió su trabajo al célebre científico alemán, quien amplió la teoría para abarcar la masa.

Albert Einstein

Einstein predijo que cuando las partículas se desaceleran y se aproximan entre sí, producen un nuevo estado de agregación de la materia, distinto del sólido, el líquido, el gaseoso y el plasma. En el nuevo estado dela materia, los átomos pierden su identidad propia y forman una sola onda cuántica de partículas. Tal como los fotones en un láser óptico, todos los átomos del condensado se hallan en la misma longitud de onda y laten en la misma frecuencia.

A este quinto estado de la materia se le profetiza una serie de aplicaciones: el condensado Bose-Einstein hará aún más exactos instrumentos de medición y relojes atómicos, y podrá almacenar información en las futuras computadoras cuánticas. Y es tan fácil de lograr con aparatos de 50 a 100 mil dólares, que hay ya más de 20 equipos investigadores que lo han fabricado en todo el mundo.

Su aplicación mayor, sin embargo, será en un “láser atómico” que, en lugar de fotones, emita un rayo de átomos vibrando en el mismo estado mecánico cuántico. Tal láser atómico podría, por ejemplo, permitir construir pequeñísimas estructuras con precisión hasta hoy inédita, técnica de la cual podrían aprovecharse la nanotecnología y la industria de computadoras.

Sexto estado físico de la materia

Un artículo publicado por la NASA el 12 de febrero de 2004:

Cindy Regal

Hay por lo menos seis estados físicos de la materia: sólido, líquido, gas, plasma, condensado Bose-Einstein (BBC), y una nueva forma de materia llamada “condensado fermiónico” recién descubierta por investigadores financiados por la NASA.

La quinta forma, el condensado Bose-Einstein (BEC), descubierto en 1995, aparece cuando los científicos enfrían unas partículas llamadas bosones hasta alcanzar temperaturas muy bajas. Los bosones fríos se unen para formar una única super-partícula que es más parecida a una onda que a un ordinario pedazo de materia. Los BEC son frágiles, y la luz viaja muy lentamente a través de ellos.

Ahora tenemos condensados fermiónicos tan recientes que la mayoría de sus propiedades básicas son desconocidas. Deborah S. Jin, Markus Greiner y Cindy Regal han dado un paso más y también, gracias a la ultra congelación de partícula, han encontrado un nuevo estarlo de la materia, el sexto, el gas Fermiónico. Ciertamente, son fríos. Jin creó la sustancia enfriando una nube de 500 000 átomos de potasio-40 (K40) hasta menos de una millonésima de grado sobre el cero absoluto. Y ellos probablemente fluyen sin viscosidad. ¿Más allá de eso? los investigadores aún están aprendiendo.

Markus Greiner

"Cuando se encuentra una nueva forma de la materia”, hace notar Jin, “toma un tiempo entenderla".

Los condensados fermiónicos están relacionados con los BEC. Ambos están compuestos de átomos que se unen a bajas temperaturas para formar un objeto único. En un BEC, los átomos son bosones. En un condensado fermiónico los átomos son fermiones.

Los bosones son sociables; les gusta estar juntos. Como regla general, cualquier átomo con un número par de electrones + protones + neutrones es un bosón. Así, por ejemplo, los átomos del sodio ordinario son bosones, y pueden unirse para formar condensados Bose-Einstein.

Los fermiones, por otro lado, son antisociales. No pueden ¡untarse en el mismo estado cuántico (por el “Principio de Exclusión de Pauli” de la mecánica cuántica). Cualquier átomo con un número impar de electrones + protones + neutrones, como el potasio-40 (K40), es un fermión.

Deborah S. Jin

El grupo de Jin encontró una forma de esquivar el comportamiento antisocial de los fermiones. Utilizaron un campo magnético cuidadosamente aplicado para que actuara como un “Cupido" de sintonía fina. El campo hace que los átomos solitarios se unan en pares, y la fortaleza de esa unión puede ser controlada ajustando el campo magnético. Los átomos de potasio unidos débilmente retienen algo de su carácter fermiónico, pero también se comportan un poco como los bosones. Un par de fermiones puede unirse a otro par, y a otro y a otro, y eventualmente formar un condensado fermiónico.

Jin sospechó que el sutil emparejamiento de un condensado fermiónico es el mismo fenómeno de emparejamiento que se observa en el helio-3 líquido, un superfluido. Los superfluidos fluyen sin viscosidad, así que los condensados fermiónicos deberían hacer lo mismo.

Un fenómeno relacionado estrechamente es la superconductividad. En un superconductor, los pares de electrones (los electrones son fermiones) pueden fluir con resistencia cero. Existe un enorme interés comercial en los superconductores porque podrían ser utilizados para producir electricidad en forma más barata y más limpia para sistemas de alta tecnología como trenes levitantes y computadoras ultrarrápidas. Desdichadamente, los superconductores son difíciles de manejar y de estudiar.

El mayor problema hoy en día con los superconductores es que la temperatura más cálida en la que pueden operar es de apenas -135°C. El nitrógeno líquido o cualquier otro criogénico necesario para enfriar los alambres hace que los aparatos que utilizan superconductores sean caros y abultados. Los ingenieros preferirían trabajar con superconductores a temperatura ambiente. 

"La fuerza de unión en nuestro condensado fermiónico, ajustada para masa y densidad, podría corresponder a un super conductor de temperatura ambiente” hace notar Jin. “Esto hace que sea Optimista acerca de que la física fundamental que aprendamos a través de los condensados fermiónicos ayude a otros a diseñar materiales superconductores más prácticos”.

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Bibliografía

Regalado, V. M. (2016). Química 1. Ciudad de México: Grupo Editorial Patria.