Una Nueva Clase de Materia: Segunda Parte

Investigadores financiados por la NASA han descubierto una extraña nueva fase de la materia, llamada condensado fermiónico

Febrero 12, 2004:  Lo aprendimos en la escuela elemental. Existen tres formas de la materia: sólidos, líquidos y gases.

Pero esto no es exactamente cierto. Hay por lo menos seis: sólidos, líquidos, gases, plasmas, condensados Bose-Einstein, y una nueva forma de materia llamada “condensado fermiónico”, recién descubierta por investigadores financiados por la NASA.

"Estas son épocas muy emocionantes", dice la física Deborah Jin de la Universidad de Colorado/NIST, científica principal del grupo que produjo el primer condensado fermiónico en Diciembre de 2003. “Mi grupo trabaja muy duro por estos días. Tanto la emoción por un gran avance como la competencia para ser los primeros, han sido las fuerzas impulsoras”.

Las noticias de su histórico descubrimiento aparecieron en la edición de Internet de la revista científica Physical Review Letters de enero 24-30.

Derecha: Fotografías en color simulado de un condensado fermiónico en crecimiento. Copyright Markus Greines. [Más Información]

La mayoría de los estudiantes de segundo grado puede recitar las propiedades de los sólidos, de los líquidos y de los gases. Los sólidos resisten la deformación. Son rígidos y pueden desmoronarse. Los líquidos fluyen, son difíciles de comprimir, y asumen la forma de su recipiente. Los gases son menos densos, son fáciles de comprimir, y no solamente asumen la forma de su recipiente... se expanden y lo llenan completamente.

La cuarta forma de la materia, el plasma, es parecida al gas, y está compuesta por átomos que han sido divididos en iones y electrones. El sol está hecho de plasma, como la mayor parte de la materia del universo. Los plasmas son comúnmente muy calientes, y se los puede contener en botellas magnéticas.

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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 súper-partícula que es más parecida a una onda que a un ordinario pedazo de materia. Los BECs son frágiles, y la luz viaja muy lentamente a través de ellos. (Lea el artículo de Ciencia@NASA "Una nueva clase de materia" para aprender más acerca de los BECs.)

Ahora tenemos condensados fermiónicos... tan recientes que la mayoría de sus propiedades básicas son desconocidas. Ciertamente, son fríos. Jin creó la sustancia enfriando una nube de 500.000 átomos de potasio-40 hasta menos de una millonésima de grado sobre el cero absoluto. Y ellos probablemente fluyan sin viscosidad. ¿Más allá de eso...? Los investigadores aún están aprendiendo.

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

Los condensados fermiónicos están relacionados con los BECs. 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.

¿Cuál es la diferencia?

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.

Izquierda: Los bosones son sociables; los fermiones son antisociales.[Más Información]

Los fermiones, por otro lado, son antisociales. No pueden juntarse 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, es un fermión.

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 sospecha que el sutil emparejamiento de un condensado fermiónico es el mismo fenómeno de emparejamiento que se observa en el helio-3 líquido, un súper-fluido. Los súper-fluidos fluyen sin viscosidad, así que los condensados fermiónicos deberían hacer lo mismo.

Derecha: Deborah Jin (al frente) con sus colegas Cindy Regal y Markus Greiner. [Más Información]

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, y para crear maravillas de alta tecnología como trenes levitantes y computadoras ultra-rápidas. Desdichadamente, los superconductores son difíciles de manejar y de estudiar.

Los condensados fermiónicos podrían ayudar.

El mayor problema hoy en día con los superconductores es que la temperatura más cálida en la que pueden operar es de apenas –135ºC. 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 superconductor 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”.

Izquierda: Los pares de fermiones pueden unirse y actuar como bosones. En este diagrama, los espines de las partículas emparejadas están alineados. En el trabajo de Jin, son opuestos.

La NASA tiene muchas aplicaciones para los superconductores. Por ejemplo, los giróscopos que mantienen orientados a los satélites podrían utilizar cojinetes sin fricción hechos de imanes superconductores, mejorando su precisión. De igual manera, ya que los superconductores pueden transportar la misma cantidad de corriente que el cobre en un alambre mucho más fino, los motores eléctricos superconductivos a bordo de las naves espaciales podrían ser de 4 a 6 veces más pequeños que los motores ordinarios, ahorrando un volumen y un peso considerables.

Otros especulan que los superconductores podrían jugar un papel importante en una base permanente en la Luna, una como la que el Presidente Bush anunció recientemente en su visión para la futura exploración humana del espacio. Los superconductores serían una elección natural para una generación y trasmisión ultra-eficiente de energía, ya que las temperaturas ambientes bajan hasta los –173ºC durante la larga noche lunar. Y durante el viaje de largos meses hacia Marte, una máquina MRI de mesa, hecha posible por el alambrado superconductor, sería una poderosa herramienta de diagnóstico para ayudar a asegurar la salud de la tripulación.

La Luna. Marte. No hay forma de decir hacia dónde nos podrían llevar los condensados fermiónicos. Definitivamente, mucho más lejos que la escuela elemental...

Nota del Editor: Esta historia menciona seis fases de la materia: sólidos, líquidos, gases, plasmas, BECs y condensados fermiónicos. Los físicos debaten el número total. Se podrían agregar a la lista muchas otras formas tales como cristales, vidrios, ferromagnetos, paramagnetos y mucho más. ¿Tienen derecho los condensados fermiónicos a integrarse a las categorías principales, como los líquidos y los sólidos, o deberían pertenecer a las sub-divisiones menos fundamentales tales como los cristales líquidos? Esta pregunta será respondida en los meses y años por venir a medida que los investigadores aprendan más sobre las propiedades de los fermiones que se unen.