La materia cuántica orbita la Tierra

Dos años después de que la NASA embarcara a bordo de la Estación Espacial Internacional (ISS) una pequeña caja para congelar átomos de gas a una millonésima de grado por encima del cero absoluto, ha obtenido en el espacio el llamado quinto estado de la materia o materia cuántica.

El quinto estado de la materia, después del sólido, líquido, gaseoso y plasma, se llama también Condensado Bose-Einstein (BEC): es el estado de la materia en el que los átomos pierden su individualidad y se unen en un mismo estado cuántico.

En este estado, las leyes de la física dejan paso a los paradójicos procesos de la física cuántica: marca la frontera entre el mundo atómico y el mundo subatómico y permite observar cómo se “transforma” la materia física en cuántica.

Los átomos de la materia, en ese estado, empiezan a seguir las leyes cuánticas que rigen en el mundo subatómico, pero al mismo tiempo son lo suficientemente grandes como para ser observados al microscopio.

Así es posible contemplar la materia comportándose menos como partícula y más como onda: filas de átomos se mueven en concierto uno con el otro y se comportan como un superfluido, caracterizado por la ausencia total de viscosidad.

Estas misteriosas formas de onda nunca se habían visto a temperaturas tan bajas como las conseguidas a bordo de la ISS, a unos 400 kilómetros por encima de la superficie terrestre.

Un siglo de investigaciones

Este condensado fue predicho en los años 20 del siglo pasado por los físicos Satyendra Nath Bose y Albert Einstein: advirtieron que, si los átomos se enfrían lo suficiente, perderán su individualidad y adoptarán un comportamiento cuántico.

En 1995, los también físicos Eric Cornell y Carl Wieman recibieron el Nobel por obtener este condensado en laboratorio. 

Desde entonces, los BEC se han producido rutinariamente en cientos de laboratorios, pero con un inconveniente: la gravedad terrestre los hace difíciles de estudiar porque atrae los átomos hacia el suelo, donde desaparecen en fracciones de segundo.

En el espacio, las condiciones son más propicias para la observación porque ese extraño estado de la materia se puede obtener en microgravedad, que es casi un sinónimo de ingravidez.

Eso significa que, libres de esa presión física, los átomos del condensado Bose-Einstein pueden durar más tiempo en ese estado y observarse mejor. Esto es lo que se ha conseguido a bordo de la ISS: la microgravedad ha iluminado las nuevas características de este estado híbrido físico-cuántico.

Y como la “caja mágica” que consigue estos condensados, llamada en realidad Cold Atom Laboratory (CAL), del tamaño de un lavavajillas, genera microgravedad sin fin, el quinto estado de la materia se puede obtener durante muchas horas al día: incluso permitirá observarlo durante años.

Enormes perspectivas

Las perspectivas que se abren, tanto en el campo de la investigación fundamental como en el tecnológico, son enormes: al aumentar el tiempo de observación, las mediciones serán más precisas.

La microgravedad consigue asimismo temperaturas cada vez más bajas, que potencian los efectos cuánticos de este extraño estado de la materia.

De momento, los científicos han descubierto que los condensados se comportan de diferente forma en el espacio (microgravedad) que en la Tierra: sus átomos se expanden durante más de un segundo, en comparación con las decenas de milisegundos que duran cuando están en la superficie terrestre.

Es solo el principio de una serie de resultados, particularmente en el ámbito de los gases cuánticos, escenario ideal para conocer los fenómenos cuánticos macroscópicos.

Referencia

Observation of Bose–Einstein condensates in an Earth-orbiting research lab. David C. Aveline et al. Nature volume 582, pages193–197(2020). DOI:https://doi.org/10.1038/s41586-020-2346-1