Condensado de Bose-Einstein

Condensado de Bose-Einstein (BEC) , un estado de la materia en el que se separan átomos o partículas subatómicas, enfriado a cerca de cero absoluto (0 A , - 273,15 ° C, o - 459,67 ° F; K = kelvin), se fusionan en una única entidad mecánica cuántica, es decir, una que puede describirse mediante una función de onda, en una escala casi macroscópica. Esta forma de materia fue predicha en 1924 por Albert Einstein sobre la base de la cuántico formulaciones del físico indio Satyendra Nath Bose.

Aunque se había predicho durante décadas, el primer BEC atómico se hizo solo en 1995, cuando Eric Cornell y Carl Wieman de JILA, una institución de investigación operada conjuntamente por el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) y la Universidad de Colorado en Boulder. , enfrió un gas de átomos de rubidio a 1,7 × 10⁻⁷K por encima del cero absoluto. Junto con Wolfgang Ketterle del Instituto de Tecnología de Massachusetts (MIT), quien creó un BEC con sodio átomos, estos investigadores recibieron el Premio Nobel de Física en 2001. La investigación sobre BEC ha ampliado la comprensión de la tecnología cuántica. física y ha llevado al descubrimiento de nuevos efectos físicos.

La teoría BEC se remonta a 1924, cuando Bose consideró cómo se comportan los grupos de fotones. Los fotones pertenecen a una de las dos grandes clases de partículas elementales o submicroscópicas definidas por si su espín cuántico es no negativo. entero (0, 1, 2,…) o un medio entero impar (1/2, 3/2,…). El primer tipo, llamado bosones, incluye fotones, cuyo spin es 1. El último tipo, llamado fermiones, incluye electrones, cuyo spin es 1/2.

Como señaló Bose, las dos clases se comportan de manera diferente ( ver Estadísticas de Bose-Einstein y Fermi-Dirac). Según el principio de exclusión de Pauli, los fermiones tienden a evitarse entre sí, por lo que cada electrón de un grupo ocupa un estado cuántico separado (indicado por diferentes números cuánticos, como la energía del electrón). Por el contrario, un número ilimitado de bosones puede tener el mismo estado energético y compartir un solo estado cuántico.

Einstein pronto amplió el trabajo de Bose para mostrar que a temperaturas extremadamente bajas, los átomos bosónicos con espines uniformes se fusionarían en un estado cuántico compartido con la energía más baja disponible. Sin embargo, los métodos necesarios para producir temperaturas lo suficientemente bajas para probar la predicción de Einstein no fueron alcanzables hasta la década de 1990. Uno de los avances dependió de la nueva técnica de enfriamiento y atrapamiento por láser, en la que la presión de radiación de un rayo láser enfría y localiza los átomos ralentizándolos. (Para este trabajo, el físico francés Claude Cohen-Tannoudji y los físicos estadounidenses Steven Chu y William D. Phillips compartieron el Premio Nobel de Física de 1997). El segundo avance dependió de mejoras en el confinamiento magnético para mantener los átomos en su lugar sin material. envase. Usando estas técnicas, Cornell y Wieman lograron fusionar unos 2.000 átomos individuales en un superátomo, un condensado lo suficientemente grande para observar con un microscopio, que mostraba distintas propiedades cuánticas. Como Wieman describió el logro, lo llevamos a una escala casi humana. Podemos pincharlo y pincharlo y mirar estas cosas de una manera que nadie ha podido antes.

Las BEC están relacionadas con dos fenómenos notables de baja temperatura: la superfluidez, en la que cada uno de los isótopos de helio³El y⁴Forma un líquido que fluye con cero fricción ; y superconductividad, en la que los electrones se mueven a través de un material con cero resistencia eléctrica .⁴Los átomos son bosones, y aunque³Los átomos y electrones son fermiones, también pueden someterse a Bose condensación si se emparejan con espines opuestos para formar estados bosónicos con espín neto cero. En 2003, Deborah Jin y sus colegas de JILA utilizaron fermiones emparejados para crear el primer condensado fermiónico atómico.

La investigación de BEC ha producido nueva física óptica y atómica, como el láser atómico que Ketterle demostró en 1996. Un láser de luz convencional emite un haz de coherente fotones están todos exactamente en fase y se puede enfocar a un punto brillante extremadamente pequeño. De manera similar, un láser de átomos produce un haz coherente de átomos que se puede enfocar a alta intensidad. Las aplicaciones potenciales incluyen relojes atómicos más precisos y mejorado técnicas para hacer chips electrónicos, o circuitos integrados .

La propiedad más intrigante de los BEC es que pueden ralentizar la luz. En 1998, Lene Hau de la Universidad de Harvard y sus colegas redujeron la velocidad de la luz que viaja a través de un BEC desde su velocidad en el vacío de 3 × 10.⁸metros por segundo a apenas 17 metros por segundo, o aproximadamente 38 millas por hora. Desde entonces, Hau y otros han detenido por completo y almacenado un pulso de luz dentro de un BEC, y luego liberaron la luz sin cambios o la enviaron a un segundo BEC. Estas manipulaciones son prometedoras para nuevos tipos de luz telecomunicaciones , almacenamiento óptico de datos y computación cuántica, aunque los requisitos de baja temperatura de los BEC ofrecen dificultades prácticas.