Investigadores han generado un condensado de Bose-Einstein a bordo de un cohete, lo que es un importante paso para diseñar sensores de ondas gravitacionales extremadamente precisos.
Coja aliento y recuéstese en la silla. Sepa que tras la aparente solidez del respaldo se esconde un intrincado y extraño mundo de fenómenos cuánticos. Un mundo en el que los átomos son a la vez partículas y a la vez ondas. Donde se puede enfriar la materia hasta casi el cero absoluto, la mínima temperatura posible (−273,15 °C), y se puede lograr que un grupo de átomos, como los que constituyen una silla o una mano, se comporten como uno solo, en el sentido de que todos los átomos se condensan en una misma onda y se comportan del mismo modo. Este extraño estado es lo que se conoce como condensado de Bose-Einstein (BEC, por sus siglas en inglés).
Estos condensados no son un invento de solitarios ratones de biblioteca. Fueron propuestos en 1925 y, cuando la tecnología por fin avanzó lo suficiente, se hicieron realidad por primera vez en 1995. Ahora, gracias a los últimos avances, los científicos han logrado por primera vez crear un condensado de Bose-Einstein en el espacio, a bordo de un cohete. Los autores, encabezados por Maike Lachmann y Ernst Rasel, investigadores en la Universidad de Hanover (Alemania), han realizado 110 mediciones en las que han demostrado el enorme potencial que tienen estos condensados en el espacio para crear sensores extremadamente sensibles de ondas gravitacionales y para abrir todo un nuevo campo que está por explorar. Sus hallazgos se han publicado en Nature.
Los investigadores diseñaron una plataforma, del tamaño de una persona, en cuyo interior un grupo de átomos quedó atrapado en un chip. Un cohete, lanzado desde Suecia, el 23 de enero de 2017, elevó esta plataforma hasta los 243 kilómetros de altura. La trayectoria proporcionó seis minutos de microgravedad, en las cuales el dispositivo creó un condensado de Bose-Einstein, durante 1,6 segundos y compuesto por 105 átomos, y llevó a cabo decenas de mediciones sobre su estado.
¿Cuál es la finalidad de estos experimentos? Para comprenderlo, hay que tener en cuenta que los condensados de Bose-Einstein generan un estado cuántico muy denso, que es muy sensible a fuerzas inerciales muy pequeñas. Por tanto, estos condensados son idóneos para medir muy pequeñas aceleraciones. Esto ya se ha llevado a cabo en laboratorios en tierra, pero si se lleva al espacio, a un entorno de microgravedad, se logra multiplicar la sensiblidad de estos sensores.
NUEVOS SENSORES PARA LO DESCONOCIDO
Tener sensores mucho más sensibles que los anteriores abre la puerta a hacer nuevos descubrimientos y detectar cosas que habían pasado desapercibidas hasta ahora. En este caso, los avances podrían llevarnos a aprender nuevas cosas sobre ondas gravitacionales, la Relatividad General y la mecánica cuántica. Esto, que por sí solo ya convierte a los condensados de Bose-Einstein en el espacio en algo extremadamente valioso para la ciencia –cuya finalidad es comprender el Universo– es también la base para que en un futuro se desarrollen aplicaciones que hoy no podemos ni imaginar.
Liang Lu, científico de la Academia de Ciencias de China, lo ha dejado claro en un artículo de análisis publicado junto a la investigación de Lachmann y Rasel en Nature: -Muchos grandes descubrimientos de la física moderna depende de inventar sensores basados en nuevos principios-. En este sentido, ha puesto como ejemplo un interferómetro óptico que, en 1887, permitió descartar la existencia del éter, la invención de la radioastronomía, que a partir de 1968 permitió descubrir nuevos y extremos objetos astrofísicos, como los púlsares, o la invención de la interferometría láser, que en 2016 fue el germen que llevó a la primera detección directa de ondas gravitacionales.
AVANCES EN ONDAS GRAVITACIONALES
En esta ocasión, la diferencia entre los sensores tradicionales basados en luz y los basados en ondas de materia está en que los átomos tienen una masa y una estructura interna. Por eso, son extremadamente sensibles a la gravedad, y por eso hay más formas de controlar sus propiedades.
Esto, llevado al espacio, quizás llevaría a diseñar sensores de ondas gravitacionales mucho más sensibles que los actuales. En este momento, los observatorios terrestres son capaces de captar las ondas gravitacionales procedentes de la fusión de agujeros negros o de la fusión de estrellas de neutrones, pero instrumentos más sensibles permitirían observar otro tipo de fenómenos.
Kip Thorne, el Nobel de Física de 2017 clave en la ciencia de las ondas gravitacionales y los agujeros negros, ya ha dicho que estos nuevos observatorios podrían permitir captar la colisión de agujeros negros supermasivos, de 100.000 a 10 millones de masas solares, trazar un mapa con gran precisión de la geometría del espacio-tiempo en los agujeros negros, quizás observar las ondas gravitacionales producidas cuando el Universo estaba naciendo (cuando tenía una edad de la billonésima parte de un segundo) y quizás encontrar la huella dactilar gravitacional procedente de la era de la inflación del Universo.
Conviene recordar también que las ondas gravitacionales son distorsiones del espacio-tiempo predichas por Albert Einstein, y que se generan cuando masas muy fuertemente aceleradas liberan enormes cantidades de energía que recorren el Universo a la velocidad de la luz.
Igual que arrojar una piedra a un estanque genera ondas que llegan hasta las orillas, dos agujeros negros que chocan generan unas ondas gravitacionales que acaban cruzando la Tierra y deformando el espacio-tiempo en el que vivimos. Eso sí, de una forma extremadamente sutil, solo detectable con sensores realmente sensibles. Tanto como para detectar fluctuaciones inferiores a la milésima parte del grosor de un protón.
¿QUÉ SON LOS CONDENSADOS DE BOSE-EINSTEIN?
Los condensados de Bose-Einstein se basan en la dualidad onda-corpúsculo, que describe las partículas elementales en términos de ondas de la mecánica cuántica llamadas ondas de Broglie. Resulta que cuanta más alta sea la velocidad de una partícula –es decir, cuanto mayor sea la temperatura a la que esté– más corta es la longitud de onda de dicha onda. Por eso, una nube de átomos calientes tienen ondas de Broglie cortas y cada uno puede ser considerado como un objeto individual, tal como detalla Liang Lu.
Pero, si se enfrían los átomos hasta un umbral, las longitudes de onda aumentan tanto que cubren toda la nube de los átomos, de tal forma que las partículas se condensan en un estado en el que todos se comportan de la misma forma, y pueden considerarse como integrantes de una misma onda de materia: es el condensado de Bose-Einstein.
Lo interesante de este estado es que sus ondas de materia pueden ser usadas para hacer mediciones a través de técnicas de interferometría. ¿Qué quiere decir esto? Una luz láser separa estas ondas y luego las recombina, produciendo patrones concretos y estables de interferencias. Pero si hay distorsiones externas, por ejemplo generadas por una onda gravitacional o un cambio de temperatura, el sistema detecta las variaciones con gran sensibilidad.
Por eso, tal como ha concluido Liang Lu, este trabajo "abre el camino para sensores cuánticos en el espacio que podrían ser usados para llevar a cabo experimentos que no son posibles en la Tierra". Y, concluye: "¿Quién sabe qué misterios del Universo podrían ser revelados con ellos?".
Referencia bibliográfica
Dennis Becker et al. 2018. Space-borne Bose–Einstein condensation for precision interferometry. Nature. DOI: 10.1038/s41586-018-0605-1
