Ponen un gas cuántico a temperatura por debajo del cero absoluto

Átomos ultrafríos allanan el camino para lograr materiales sub Kelvin en el futuro

Puede parecer menos probable que congelar el infierno, pero los físicos han creado por primera vez un gas atómico con una temperatura por debajo del cero absoluto. Su técnica abre la puerta a la generación de nuevos materiales y dispositivos cuánticos a temperaturas menos Kelvin, e incluso podría ayudar a resolver un misterio cosmológico.

Lord Kelvin definió, a mediados de la década de 1800, la escala de temperatura absoluta de tal modoa que nada puede ser más frío que el cero absoluto. Más adelante, los físicos se dieron cuenta de que la temperatura absoluta de un gas está relacionada con la energía media de sus partículas. El cero absoluto corresponde al estado teórico en el que las partículas no tienen ninguna energía en absoluto, y las temperaturas más altas corresponden a energías promedio más altas.

Sin embargo, en la década de los 50, los físicos que trabajan con sistemas más exóticos empezaron a darse cuenta de que esto no siempre es cierto: Técnicamente, se lee la temperatura de un sistema a partir de un gráfico que traza las probabilidades de que sus partículas se encuentren a ciertas energías. Normalmente, la mayoría de las partículas tienen energías medias o cerca de la media, y sólo unas pocas partículas se encuentran a altas energías. En teoría, si la situación se invierte, con más partículas que tienen energías más altas, en lugar de más bajas, la curva podría invertirse y el signo de la temperatura cambiaría a partir de una temperatura absoluta positiva a una negativa, explica Ulrich Schneider, un físico de la Universidad Ludwig-Maximilian de Munich, Alemania.

Picos y valles

Schneider y sus colegas llegaron esas temperaturas por debajo del cero absoluto con un gas cuántico ultrafrío compuesto de átomos de potasio. Utilizando láser y campos magnéticos, mantuvieron átomos individuales en una disposición reticular. A temperaturas positivas, los átomos se repelen, haciendo que la configuración sea estable. El equipo ajustó entonces rápidamente los campos magnéticos, haciendo que los átomos se atraigan más en lugar de repelerse entre sí. «Esto de pronto desplaza a los átomos de su estado más estable, el de energía más baja, al estado más alto de energía posible, antes de que puedan reaccionar», dice Schneider. «Es como caminar por un valle y a continuación encontrarse instantáneamente en la cima de la montaña».

A temperaturas positivas, una inversión así sería inestable y los átomos colapsarían hacia dentro. Pero el equipo también ajustó el campo de láser de captura para que sea más energéticamente favorable a que los átomos se peguen en sus posiciones. Este resultado, que se describió el 3 de enero en Science, marca la transición del gas desde justo por encima del cero absoluto a unas pocas millonésimas de Kelvin por debajo del cero absoluto.

Wolfgang Ketterle, físico y premio Nobel en el Instituto de Tecnología de Massachusetts en Cambridge, quien ha demostrado previamente negativas temperaturas absolutas en un sistema magnético, llama a este trabajo reciente un «tour de force experimental» («tour de force» es una acción difícil cuya realización exige gran esfuerzo y habilidad). Estados exóticos de alta energía que son difíciles de generar en el laboratorio a temperaturas positivas se vuelven estables as temperaturas absolutas negativas», como si uno parase una pirámide sobre su extremo superior y no se preocupara por que eso se caiga», señaló, por lo que técnicas así puede permitir que estos estados sean estudiados en detalle. «Esta puede ser una manera de crear nuevas formas de materia en el laboratorio», añadió Ketterle.

Si se construyeran, estos sistemas se comportarían de manera extraña, dice Achim Rosch, físico teórico en la Universidad de Colonia en Alemania, quien propuso la técnica utilizada por Schneider y su equipo. Por ejemplo, Rosch y sus colegas han calculado que, mientras que las nubes de átomos normalmente caen hacia abajo por la gravedad, si parte de la nube está a una temperatura absoluta negativa, algunos átomos se moverán hacia arriba, aparentemente desafiando la gravedad.

Otra peculiaridad del gas a temperatura sub cero absoluto es que imita la «energía oscura», la fuerza misteriosa que empuja la expansión del universo a un ritmo cada vez más rápido, en contra de la fuerza centrípeta de la gravedad. Schneider señala que los átomos que se atraen del gas producido por el equipo también quieren contraerse hacia el interior, pero no lo hacen porque la temperatura absoluta negativa los estabiliza. «Es interesante que esta característica extraña aparezca en el Universo, y también en el laboratorio», dice. «Esto podría ser algo que los cosmólogos debieran mirar más de cerca.»

Artículo original: Nature Quantum gas goes below absolute zero doi:10.1038/nature.2013.12146

Fuente: Nature. Aportado por Eduardo J. Carletti

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