Científicos obtienen condensado de Bose-Einstein con el compuesto cloruro de níquel

Temperaturas ultrabajas y altos campos magnéticos fueron las condiciones para tal logro. Las ecuaciones formuladas ofrecen amplias perspectivas tanto para la investigación básica como para su aplicación tecnológica

Por José Tadeu Arantes  |  Agência FAPESP – El condensado de Bose-Einstein –muchas veces referido como “el quinto estado de la materia” [los cuatro primeros son el sólido, el líquido, el gaseoso y el plasma]– se obtiene cuando se enfría un conjunto de átomos hasta una temperatura cercana al cero absoluto. En tales condiciones, las partículas carecen de energía libre para moverse unas con relación a las otras, y algunas de ellas, denominadas bosones, pasan a compartir los mismos estados cuánticos, volviéndose por ende indiferenciables. De este modo, obedecen a la llamada estadística de Bose-Einstein, que se aplica a partículas idénticas. En el condensado de Bose-Einstein, las partículas se comportan como si fuesen una misma partícula.

Concebido y calculado teóricamente por el físico indio Satyendra Nath Bose (1894-1974) y por Albert Einstein (1879-1955) en 1924, la producción del condensado de Bose-Einstein se concretó experimentalmente siete décadas más tarde, en 1997, y estuvo a cargo a Eric Cornell, Carl Wieman y Wolfgang Ketterle, utilizando un gas de rubidio ultraenfriado. Por ese logro, los tres científicos recibieron el Premio Nobel de Física de 2001.

Y en una investigación realizada en el marco de una colaboración internacional se produjo recientemente el equivalente a un condensado de Bose-Einstein con el compuesto cloruro de níquel. Y lo que es más importante aún: a partir del tratamiento teórico de los datos, se obtuvo un conjunto de ecuaciones que pueden aplicarse a otros materiales no caracterizados como condensados de Bose-Einstein.

El físico Armando Paduan Filho, profesor titular del Instituto de Física de la Universidad de São Paulo (Brasil), participó en este estudio en el marco del proyecto temático intitulado “Investigaciones de nuevos materiales con campos magnéticos intensos y bajas temperaturas”, con el apoyo de la FAPESP. Y un artículo en donde se informa acerca de este trabajo salió publicado en enero pasado en Physical Review B, con el título de “Nuclear magnetic resonance study of the magnetic-field-induced ordered phase in the NiCl2-4SC(NH2)2 compound”.

“A temperaturas cercanas al cero absoluto y en presencia de un campo magnético sumamente intenso, el compuesto cloruro de níquel se comporta como un condensado de Bose-Einstein. Y esto permite describir las propiedades de un importante conjunto de átomos mediante una misma ecuación, una sola función de onda”, declaró Paduan Filho a Agência FAPESP.

Tal posibilidad viabiliza cálculos que de otra manera serían impracticables. Por ejemplo: se sabe que el momento magnético de un cuerpo macroscópico puede calcularse por la composición de los momentos magnéticos de los átomos que lo constituyen. Pero en la práctica, esta operación se vuelve inviable, dada la enorme cantidad de átomos y de interacciones implicadas. “Un medio de resolver este problema consiste en valerse de las estadísticas de la mecánica cuántica. En este caso, debemos pensar en los átomos no como puntos o como sólidos, sino como ondas”, afirmó el investigador.

En los bosones, es decir, en los materiales que obedecen a la estadística de Bose-Einstein, todas las ondas asociadas a las supuestas partículas que los constituyen son iguales. Por otra parte, cuanto menor es la temperatura de un material, mayores son las longitudes de onda de sus partículas constituyentes. De este modo, en las cercanías del cero absoluto, las longitudes aumentan hasta que todas las ondas se tocan. “Pasamos a tener entonces una situación en la cual todas las ondas son iguales y todas las ondas se tocan. Y así podemos representarlas a todas con una misma onda. Emisiones de energía y propiedades eléctricas, magnéticas, térmicas, luminosas, etc., pueden calcularse mediante el empleo de una sola función de onda”, resumió Paduan Filho.

Al estudiar el cloruro de níquel, los científicos constataron que si se enfriaba el material casi hasta el cero absoluto y se lo sometía a un fuerte campo magnético, sus átomos pasaban a comportarse como bosones, y podría caracterizarse al conjunto como un condensado de Bose-Einstein. “El hecho de que los átomos puedan percibirse como ondas constituye un dato experimental que corrobora la teoría. Ahora bien, al decir que forman un condensado de Bose-Einstein se está aplicando un instrumento teórico para explicar las propiedades observadas”, ponderó el investigador.

Desde hace más de una década se vienen llevando a cabo estudios con cloruro de níquel enfocados en las propiedades magnéticas en el Instituto de Física de la USP. “Hay materiales cuyos átomos exhiben momentos magnéticos desordenados a temperatura ambiente, pero que se ordenan cuando se los enfría. Descubrimos que dicho ordenamiento no ocurre en el cloruro de níquel, pero que, a temperaturas muy bajas y en presencia de fuertes campos magnéticos, el mismo muestra un momento magnético inducido”, informó Paduan Filho.

Los estudios avanzaron mediante colaboraciones internacionales, entre ellas una con el National High Magnetic Field Laboratory, de Los Álamos, Estados Unidos, y con el Laboratoire National des Champs Magnétiques Intenses, de Grenoble, Francia. Esas alianzas les permitieron a los científicos llegar a temperaturas del orden de un milikelvin [una milésima de grado por encima del cero absoluto] y utilizar técnicas tales como la resonancia magnética nuclear (RMN) para investigar la materia a escala atómica y subatómica. Así fue como pudo concretarse la caracterización de los átomos ultrafríos de cloruro de níquel como condensado de Bose-Einstein.

“En forma concomitante con ese experimento, nuestra colaboración produjo también un consistente trabajo teórico. Y llegamos a un conjunto de ecuaciones que, mediante algunas transposiciones, pueden aplicarse a otros materiales que no constituyan condensados”, enfatizó el investigador. El empleo de estas ecuaciones ofrece grandes perspectivas, no sólo para la investigación básica de la estructura de la materia sino también para una futura aplicación tecnológica, toda vez que una gran cantidad de artefactos que se utilizan en la vida cotidiana funcionan con base en propiedades magnéticas.