Cómo Enfriar a 0,000000001 Kelvin

• Los átomos de un gas pueden moverse a 4000 kph a temperatura ambiente.
• Para estudiarlos individualmente, deben ser enfriados a temperaturas extremadamente bajas.
• Los láseres pueden ser utilizados para este enfriamiento, a pesar de que comúnmente pensamos que calientan.
• Existen métodos para llegar a temperaturas increíblemente bajas, como usar helium o métodos de compresión.
• Los investigadores en Barcelona del grupo de gases cuánticos ultra fríos están en la cúspide de estas técnicas.

Los átomos de un gas van a toda leche a temperatura ambiente, a unos 4000 kph. Si queremos estudiarlos individualmente, tenemos que frenarlos, y para eso hay que enfriarlos muchísimo, a menos de doscientos setenta grados bajo cero, millonésimas o incluso mil millonésimas de grado por encima del cero absoluto.

¿Cómo llevamos nuestro gas a esas temperaturas increíblemente bajas? Pues no te lo pierdas, disparando un láser contra él. Pero espera, ¿los láseres no calientan? Pues no necesariamente. Y para entenderlo hemos ido a Barcelona a hablar con los investigadores del grupo de gases cuánticos ultra fríos de ICFO. Vamos a ello.

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Para ante momento de tensión, expertos sin refrigeración y mantenimiento personal que jugamos por el vídeo, nos ha puesto aquí unas cuantas neveras. No está siendo esto muy magneto óptico precisamente.

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Y dicho todo esto, láseres, trampas, enfriar. ¿Cómo encaja todo esto? Imagina que quieres enfriar un gas. ¿Qué haces? Puedes empezar por ponerlo en contacto con algo que esté a menor temperatura. Metiéndolo en la nevera, vaya. O mejor aún, en un baño de helio líquido.

Otra opción es comprimir mucho el gas y dejar que se expanda, pasando a través de una boquilla, como en un spray. Para enfriarlo más, podemos emplear como refrigerante una sustancia cuyas moléculas son como pequeños imanes. Al aplicar un campo magnético intenso, todos esos imanes se alinearán con él. Es lo que se llama paramagnetismo.

Si en esa situación enfriamos la sustancia con helio líquido y luego vamos reduciendo el campo, las vibraciones de las moléculas irán desorientando los imanes. Es decir, que la energía térmica del refrigerante se invierte en desordenar los imanes. Y eso hace que su temperatura baje aún más.

También podemos usar una mezcla de helio tres y helio cuatro, dos variantes con distinto número de neutrones. A temperaturas muy bajas, la mezcla se divide espontáneamente en una parte donde solo hay helio tres y otra donde hay muy poquito.

Los átomos de helio tres pueden pasar de una a otra, pero para eso necesitan absorber energía del entorno, enfriándolo. Métodos como estos nos permiten llegar al millivín, es decir, unas milésimas de grado por encima del cero absoluto. Son temperaturas casi inimaginables. Pero aún queremos más. Y es ahí donde entran los láseres.

Vamos a reconocerlo. En principio suena muy raro. Estamos muy acostumbrados a que los láseres sean dispositivos que calientan, que depositan energía. Gracias a eso, podemos usarlos para cortar materiales o para luchar contra los SId. Pero resulta que un láser también puede empujar.

Mira, la luz está formada por fotones, partículas sin masa, pero que pueden chocar contra otras. Si un fotón choca contra un átomo que viene de frente, lo empujará y lo frenará un poquito.

Tampoco os creáis que lo va a parar en seco. Es como una bola de ping pong impactando contra un tren de mercancías. Pero podemos crear muchísimas bolas de ping pong. Así que si lanzamos los átomos del gas contra un láser, después de tropecientos choques se habrán frenado bastante.

Y como la temperatura de una sustancia no es más que la energía media con que se mueven sus partículas, el gas se habrá enfriado. Victoria. Aunque no tan rápido. Aquí hay muchas cosas que tener en cuenta. Primero, no nos sirve cualquier fotón.

Necesitamos que tenga una energía determinada. Si no acertamos con ella, la luz no empuja. Mira, los electrones de un átomo no pueden tener cualquier energía. Piensa en una estantería. Solo hay baldas a ciertas alturas, y los libros solo pueden estar donde haya una.

Los electrones dentro de los átomos también tienen sus propias baldas, cada una con una energía. Para subir un libro a otra balda necesito darle cierta energía. Energía potencial gravitatoria.

Una vez en la balda superior, si no lo he colocado demasiado bien, el libro se puede caer, perdiendo la energía que había ganado. Y con los electrones de los átomos pasa algo similar. Para subir de nivel, también necesitan energía. La obtienen absorbiendo un fotón.

Una vez en el nivel superior, pueden volver a caer desprendiéndose de esa energía extra, es decir, emitiendo otro fotón. Ahora, para conseguir que un electrón suba de un orbital a otro, el fotón debe tener la energía justa, la que separa esos dos niveles. Si no, el átomo pasa del fotón.

Es una de las peculiaridades del mundo cuántico, y por eso nos viene muy bien un láser, porque todos sus fotones tienen aproximadamente la misma energía. Así que la cosa es así: si enviamos un átomo de frente contra un láser, el átomo absorberá uno de sus fotones, sentirá el empujón y se frenará ligeramente.

Pero es que además, grandísima fortuna. El átomo se desprende enseguida de la energía que ha ganado emitiendo otro fotón. Y eso lo deja listo para seguir chocando con la luz una y otra vez. Pero quizá te hayas dado cuenta de algo.

Cada vez que el átomo emite un fotón, saldrá disparado hacia atrás. Tendrá un retroceso, igual que un patinador cuando lanza una bola de nieve o cuando disparamos un cañón. ¿Significa eso que no hemos ganado nada? ¿Que la velocidad que pierde al chocar contra un fotón la recupera casi de inmediato al remitirlo?

No. La clave está en que el fotón se emite en una dirección aleatoria, así que unos retrocesos se van compensando con otros. Todo esto suena guay, pero hay otro problema. La energía a la que tenemos que sintonizar nuestro láser no es la que hay entre los orbitales del átomo que quiero frenar. Es un poquito menos.

Para entenderlo, pensemos en la luz como una onda. Su energía viene dada por la distancia entre dos picos consecutivos. Cuanto más rápido vibre, cuanto más juntos estén los picos, más energía tiene. Pero si el átomo se acerca a la fuente de luz, cada pico tardará un poquito menos que el anterior en llegar hasta el átomo.

Así que desde el punto de vista del átomo, los picos parecen más juntitos, como si la longitud de onda de la luz fuera menor y su energía mayor. Este efecto Doppler es el que hace que la sirena de una ambulancia suene más aguda cuando se acerca y más grave cuando se aleja.

Solo que aquí son los átomos los que se aproximan a la ambulancia, digo al láser. Y por eso necesitamos fotones con una energía un poquito más baja que si el átomo estuviera quieto. El efecto Doppler hará que el átomo en movimiento los vea con la energía justa y se los zape.

Esto puede parecer un detalle técnico, pero es la clave de un método un poco distinto. Imagina que en vez de lanzar nuestro gas contra el láser, simplemente dejamos que esté a su bola en algún sitio. Aquí las partículas del gas no se mueven en la misma dirección. Cada una va a su rollo.

Vamos a tener que ir con el láser parándolas una a una. El efecto Doppler viene al rescate. Enchufamos una pareja de láseres situados uno frente al otro. Bueno, no una pareja, sino tres parejas colocadas en direcciones perpendiculares. Fijaos ahora, cada vez que un átomo se mueve en una dirección, sea cual sea, se encontrará de frente con un fotón con la energía justa para meterle un zambombazo y frenarlo.

¿Pero, y si el átomo absorbe un fotón que le llega por la espalda o desde un lateral? ¿No le darás un impulso extra que echará por tierra nuestros esfuerzos? Mira, no puede pasar. Gracias al efecto Doppler, esos fotones no tendrán la energía correcta. La recepción de los picos solo se altera si te mueves en su dirección.

El átomo no los encontrará apetecibles y pasará de ellos. Qué inteligente. Pero de nuevo, hay un problema. Si un átomo se mueve muy despacio, tampoco absorberá los fotones que le vienen de frente.

Si no hacemos nada para evitarlo, esos átomos lentorros se irán escapando poco a poco de la zona en la que están los láseres. Los láseres no conseguirán frenarlos. Tenemos que atraparlos de algún modo, construir una trampa. La idea es usar un campo magnético variable que altera la separación entre los niveles de energía de los átomos.

Gracias a eso, los láseres ejercen una fuerza que devuelve al centro a cualquier átomo que intente escaparse. Tenemos nuestra trampa, una que atrapa y enfría. Una trampa magneto óptica.

¿Hasta qué punto podemos enfriar un gas de esta manera? Pues hay un límite. En principio no podemos pasar de una millonésima de kelvin. Y es que ese retroceso que sufren los átomos al emitir los fotones les confiere cierta energía. Es posible superar este límite haciendo que los átomos más lentos dejen de participar en el pinball, llevándolos a un estado oscuro en el que dejan de absorber fotones.

Pero para acercarnos mucho más al cero absoluto necesitamos otras técnicas. Y la más habitual es la misma que utilizamos para enfriar la sopa: soplar. Bueno, a ver, no literalmente. La sopa se enfría porque las moléculas de agua más rápidas escapan en forma de vapor, de modo que la energía media de las que quedan en el plato disminuye. Soplando aceleras el proceso.

Quitas las en las cerca de la sopa para que puedan salir otras nuevas. Este enfriamiento por evaporación es el mismo proceso que regula tu temperatura cuando sudas, como explicábamos en este vídeo.

¿Ahora, cómo convertimos nuestro gas en una sopa? La idea es meterlo en otro tipo de DEMP, una puramente magnética. Usamos de nuevo un campo variable para levantar unas barreras energéticas tan altas como para confinar todos los átomos, y las vamos bajando gradualmente.

Cada vez que lo hacemos, los átomos más energéticos pueden escapar. Encerrados quedan los más lentos, como en la sopa. Eso permite disminuir la temperatura hasta unas mil millonésimas de kelvin. Y ahí es cuando la cosa se pone realmente interesante.

Ahí empezamos a observar efectos cuánticos. Los átomos se entrelazan unos con otros y aparecen comportamientos colectivos. Al final, los átomos fríos que preparamos son solo el punto de partida de lo que queremos hacer. Queremos materia cuántica que podamos controlar un poco como queramos.

Lo que hacemos es jugar al Lego. Queremos una construcción, pero los bloques son cuánticos y no son clásicos. Y con eso podríamos, en principio, construir cualquier sistema cuántico que se nos pasase por la cabeza.

Y esto es lo que se llama simulación cuántica. A veces hay problemas cuánticos de muchas partículas que no se saben resolver con supercomput como el Marenostrum que tenemos aquí en Barcelona, porque son problemas muy difíciles, porque son cuánticos.

Si nosotros ensamblamos un sistema cuántico que hace esto, nosotros no conocemos la solución, pero los átomos la van a encontrar. Entonces simplemente medimos en este sistema y vemos lo que pasa. Y esto es el tipo de cosas que hacemos, por ejemplo, cuando ponemos átomos en cristales de luz, en redes ópticas, para simular materiales.

La verdad es que es muy sencillo. Si tú coges una onda de luz, si tú le pones un espejo a este haz de luz, se retrorefleja y lo que obtienes es una onda estacionaria. Ya tienes tu red óptica. Pones una en una dimensión, otra en otra, otra en otra. Tienes una red óptica en tres dimensiones, que sería un cristal.

Y con esto puedes recrear las mismas dinámicas que ocurren en estos materiales. Y mediante nuestro setup, que podemos ver cada átomo de forma individual, podemos acceder a los observables microscópicos de este tipo de materiales. Hay comportamientos de determinados materiales que no entendemos bien y queremos simplemente hacer el modelo de este material en el laboratorio y ver qué sale.

A mí cuando jugaba el Lego, cuando era niña, no me gustaba nunca hacer el modelo. Sí hacía el modelo de la caja una vez, dos veces, tres veces. Pero también está muy bien hacer cosas que no salen en el modelo, simplemente que se te ocurren. Se te ocurre una idea distinta y simplemente tienes materia cuántica y la puedes...

Y esto también es una de las cosas que hacemos en nuestros experimentos. En el experimento de potasio, creamos formas exóticas de lo que se llaman superfluidos, que son fluidos cuánticos que fluyen sin ninguna fricción.

Y otra cosa que hemos hecho muy recientemente es convertir estos sistemas gaseosos en súper sólidos. Es una fase muy rara de la materia en la cual el sistema es súperfluido, es decir, que se mueve sin ninguna fricción, pero al mismo tiempo, espontáneamente cristaliza y puede tener estas dos cosas que parecen opuestas completamente, que aparecen en el mismo gas.

En nuestro caso, un gas de átomos de potasio. Nuestros experimentos se pueden ver como computadores cuánticos para problemas específicos. Y de hecho, por eso tenemos distintas máquinas. En ICFO tenemos potasio, tenemos estroncio en estados excitados. Para cada tipo de problemas necesitas construir una máquina, pero son analógicas.

Ahora, uno podría pensar tener un computador cuántico más general que fuese digital, donde cualquier problema se puede escribir. Esto es algo que también se podrá hacer con nuestras máquinas. La frontera de la investigación es hacer algo híbrido. Para determinadas tareas, el método analógico va mejor, por ejemplo, para ver cómo evoluciona en el tiempo un sistema cuántico.

Pero sin embargo, para preparar estados, los métodos digitales pueden ser mejores. Entonces puedes ser una máquina que puede operar en los dos modos. Esto es lo que se llaman más híbridos, que es un poco una de las cosas que también nos interesa explorar.

Los gases fríos también nos ayudan con las mediciones. Por ejemplo, permiten construir relojes atómicos ultra precisos, relojes que se retrasarían apenas 1 segundo en miles de millones de años. De hecho, la definición moderna de segundo, es decir, la técnica que nos permite saber cuánto vale 1 segundo, utiliza un reloj atómico de cesio.

Se utilizan átomos de cesio enfriados por láser. ¿Pregunta? Usando estas y otras técnicas, ¿cuál es la temperatura más baja que hemos logrado? Ojo, el récord está en 38 billonésimas de kelvin. Eso son 11 ceros.

¿Y segunda, cuánto más podremos bajar? A ver, el cero absoluto es una quimera. Es un límite imposible de alcanzar. De hecho, la tercera ley de la termodinámica nos dice que es imposible llegar a esa temperatura en un número finito de pasos. Pero nada nos impide ir acercándonos más y más.

Y gracias al ingenio de investigadores como los que hemos entrevistado hoy, seguro que lo haremos. Y ya sabes, si quieres más ciencia, solo tienes que suscribirte. Y muchas gracias por vernos.