Eso aparece en objetos tan diversos como semiconductores, núcleos atómicos y estrellas de neutrones. Varios grupos de investigación están en carrera para recrear eso en el laboratorio, dentro de motitas microscópicas de gas ultrafrío. Si tienen éxito, eso va a permitir estudios experimentales de procesos que estaban hasta ahora en el dominio de los teóricos. "Eso" es un estado superfluido de la materia que se presenta, según se ha predicho, cuando las partículas cuánticas que normalmente se evitan una a otra se aparean y se comportan, en grupos masivos, como un único cuerpo fluido.

Me fascina el lenguaje que se utiliza cuando se espían los secretos de la materia. Viendo esta terminología de libro de magia, no me queda duda de que los científicos están penetrando —y nosotros con ellos, al leer sus especulaciones y descubrimientos— en otro mundo.

El estado superfluido que han bautizado "Eso" ("It", en inglés, como el difuso monstruo de Stephen King) involucra una amplia clase de partículas cuánticas llamadas fermiones. De acuerdo a la mecánica cuántica, todas las partículas naturales o son bosones o son fermiones. Las diferentes características de esas dos clases se acentúan mucho a temperaturas muy bajas. Los bosones se juntan "socialmente" en un único estado cuántico, formando lo que se llama un condensado de Bose-Einstein. Los fermiones, en contraste, actúan como individualistas, porque nunca se encuentra a dos juntos ocupando el mismo estado cuántico. Cuando las cosas se enfrían más, los fermiones ocupan cada vez más los estados más bajos de energía, colocándose cada uno en un estado, como una hilera de personas haciendo fila en una angosta escalera. A este estado de la materia, en el que los estados más bajos de energía están ocupados cada uno por un fermión, se le llama "gas degenerado de Fermi".

Un gas de litio 6 superfrío, comprimido inicialmente en forma de delgado cilindro, se expande radialmente al ser liberado, un resultado que sugiere superfluidez, sin que esto sea concluyente. La secuencia va desde 0,1 a 2,0 milisegundos después de la liberación.

En 1999, Deborah S. Jin y Brian DeMarco de JILA en Boulder, Colorado, Estados Unidos, produjeron el primer gas degenerado de Fermi con los átomos de una pequeña nube de átomos de potasio encerrados en una trampa magnética. Pero este gas degenerado es sólo una parte de la historia. En sistemas degenerados similares que aparecen en el helio 3 líquido, y entre los electrones en los superconductores, ocurre algo nuevo: algunos fermiones se agrupan en parejas llamadas pares de Cooper. Aunque están compuestos por fermiones, estos pares son bosónicos, de modo que forman un estado superfluido muy parecido a un condensado de Bose-Einstein. En el helio 3 este estado es el responsable de la propiedad de superfluidez. En un superconductor permite la circulación de electricidad sin resistencia.

Ahora, ¿se puede producir un estado superfluido en los sistemas gaseosos fermiónicos? La teoría predice que, usualmente, los pares atómicos de Cooper sólo se forman a una temperatura mucho más baja que la requerida para la degeneración, un nivel de frío que por el momento parece más allá del alcance experimental. Sin embargo recientemente se ha sugerido un método alternativo, basado en el hecho de que los pares de Cooper no dependen sólo de la temperatura, sino de la interacción entre los átomos. En lugar de enfriar más el gas ¿por qué no incrementar la posibilidad de interacción? Fortuitamente, la naturaleza ofrece un camino conveniente para ajustar la interacción, que es aplicar un campo magnético con la fuerza justa para crear lo que se llama una resonancia de Feshbach, que genera una poderosa interacción atractiva o repulsiva entre los átomos. (Para que se formen los pares de Cooper se necesita una interacción atractiva.)

A fines del 2002 un grupo dirigido por John E. Thomas de la Duke University utilizó estas técnicas con átomos de litio 6 para producir unos resultados de superfluidez altamente sugestivos. El gas atrapado formó un delgado cilindro y cuando se apagaron los haces de láser de la trampa el gas se expandió radialmente hasta formar un disco, pero a lo largo del eje del cilindro se produjo una expansión muy pequeña. Esta expansión anisotrópica se había predicho como el estado Hallmark de superfluidez.

Como hizo notar el grupo de Duke, sin embargo, esta expansión anisotrópica puede ser causada por otros efectos. De hecho, experimentos llevados a cabo a principio de este año por el grupo de Jin y por Christophe Salomon y sus colegas en la École Normale Supérieure de París, Francia, mostraron expansiones anisotrópicas similares en situaciones en las que no debería presentarse la superfluidez.

Se necesita una técnica para detectar directamente los pares de Cooper del superfluido. Jin, y también el grupo de Wolfgang Ketterle en el Massachusetts Institute of Technology (MIT), reportaron hace poco que usaron ondas de radio para estudiar con precisión los estados de los átomos en el gas degenerado en la trampa; si hay pares de Cooper, la energía de enlace de los pares se debería observar con claridad. Ninguno de los grupos ha visto tales señales de pares de Cooper, pero ambos han develado útiles detalles nuevos de cómo interactúan los átomos fermiónicos cerca de una resonancia de Feshbach.

Varios grupos de investigación han estudiado recientemente la formación en gases de moléculas de dos átomos enlazados débilmente.

"Esperamos poder convertir [las moléculas] en pares de Cooper", dijo Ketterle. Y en agosto el teórico Yvan Castin y sus colegas en la École Normale Supérieure sugirieron de qué manera se podría hacer: dejar primero que las moléculas se junten en una condensación de Bose y luego ajustar la resonancia de Feshbach. Si así resulta, los experimentadores están a un paso de lograr lo que buscan: un nuevo estado de la materia. Y van...

Referencia:

Physicists close in on a new state of matter, Scientific American, October 6, 2003.

Más datos:

El Condensado de Bose-Einstein (CBE)

El principio de exclusión de Pauli: por qué no implosionamos

What is a Feshbach resonance?

Observation of Feshbach resonances in a Bose-Einstein condensate

(Traducido, adaptado y ampliado por Eduardo J. Carletti de Scientific American y otros sitios.)