En un informe publicado recientemente, el equipo del Laboratorio Will de la Universidad de Columbia informa haber logrado cruzar el umbral de condensación de Bose-Eienstein (BEC) y crear un BEC de moléculas de NaCs a una temperatura ultrafría de 5 nanokelvin (= 5 × 10⁻⁹ Kelvin ). El condensado cuántico molecular se mantuvo estable con una vida útil de aproximadamente 2 segundos. Esto pone fin a varias décadas de búsqueda de un BEC molecular. Se trata de un logro extraordinario y un hito en la ciencia.
Es bien sabido que la materia se presenta en tres estados: sólido, líquido o gaseoso, dependiendo de las condiciones externas como la temperatura y la presión. Por ejemplo, el H₂O se encuentra en forma de hielo, agua o vapor en condiciones ambientales normales.
Cuando la temperatura supera los 6000-10,000 Kelvin, la materia se ioniza y se convierte en plasma, el cuarto estado de la materia.
¿Cuál sería el estado de la materia si la temperatura fuera ultrabaja y cercana al cero absoluto?
Entre 1924 y 25, Satyendra Nath Bose y Albert Einstein predijeron teóricamente que si las partículas bosónicas (es decir, entidades con un valor de espín entero) se enfriaban a una temperatura ultrabaja cercana al cero absoluto, se fusionarían en una única entidad mayor con propiedades y comportamientos compartidos, regidos por las leyes de la mecánica cuántica. Este estado, denominado condensado de Bose-Einstein (BEC), se consideraba el quinto estado de la materia.
| Estados de materia | Rango de temperatura de existencia. |
| Plasma | por encima de 6000-10,000 XNUMX K |
| Gas | Para agua, por encima de 100°C a presión atmosférica normal |
| Liquid | Para agua, entre 4°C y 100°C |
| Sólida | Para agua, por debajo de 0°C |
| Condensado de Bose-Eisenstein (BEC) | Cerca del cero absoluto Alrededor de 400 nanoKelkin para bosones atómicos Aproximadamente 5 nanokelvin para BCE molecular {1 nanoKelvin (nK) = 10 -9 Kelvin} Cero absoluto = 0 kelvin = -273°C |
La predicción teórica del condensado de Bose-Einstein (BEC), el quinto estado de la materia, se hizo realidad casi siete décadas después, en 1995, cuando Eric Cornell y Carl Wieman crearon el primer BEC en un gas de átomos de rubidio, y poco después, Wolfgang Ketterle produjo un BEC en un gas de átomos de sodio. El trío recibió conjuntamente el Premio Nobel de Física 2001 por el logro de la condensación de Bose-Einstein en gases diluidos de átomos alcalinos y por los primeros estudios fundamentales de las propiedades de los condensados.
Cronología de los avances en la ciencia del quinto estado de la materia
| Hitos |
| 1924-25: La predicción teórica del quinto estado de la materia. Satyendra Nath Bose y Albert Einstein hicieron una predicción teórica de que un grupo de partículas de bosones enfriadas hasta casi el cero absoluto se fusionarían en una superentidad única y más grande con propiedades y comportamientos compartidos dictados por las leyes de la mecánica cuántica. |
| 1995: Descubrimiento del quinto estado de la materia: creación de los primeros BEC atómicos. La predicción teórica de Bose y Einstein se hace realidad después de 70 años cuando Eric Cornell y Carl Wieman crearon el primer BEC en un gas de átomos de rubidio, y poco después, Wolfgang Ketterle produjo un BEC en un gas de átomos de sodio. |
| BCE moleculares La búsqueda de BCE moleculares que requieren ultraenfriamiento en nanoKelvin (10-9 grados Kelvin) distancia |
| 2008: Deborah Jin y Jun Ye enfrió un gas de moléculas de potasio y rubidio hasta aproximadamente 350 nanoKelvin. |
| 2023: Ian Stevenson et al Creó el primer gas ultrafrío de moléculas de sodio-cesio (Na-Cs) a una temperatura de 300 nanoKelvin (nK) utilizando una combinación de enfriamiento por láser y manipulaciones magnéticas. |
| 2023: Niccolò Bigagli et al utilizaron microondas para extender la vida útil de un gas bosónico de moléculas de sodio y cesio de unos pocos milisegundos a más de un segundo, un primer paso fundamental para enfriarlas. Con su muestra de mayor duración, bajaron la temperatura a 36 nanoKelvin, un poco menos que la temperatura necesaria para que las moléculas formen un BEC. |
| 2024: Niccolò Bigagli et al crea BEC de bosones moleculares (moléculas de NaC) a una temperatura ultrafría de 5 nanoKelvin (nK) |
Desde el descubrimiento en 1995, los laboratorios de todo el mundo y de la Estación Espacial Internacional (ISS) fabrican habitualmente BEC atómicos a partir de diferentes tipos de átomos.
Condensado molecular de Bose-Einstein (BEC)
Los átomos son entidades simples, algo así como redondas, sin interacciones polares. De ahí que los investigadores siempre hayan pensado en crear condensado de Bose-Einstein (BEC) a partir de moléculas. Pero no fue posible crear BEC incluso de moléculas simples hechas de dos átomos de diferentes elementos debido a la falta de tecnología para enfriar las moléculas a unos pocos nanoKelvin (nK) necesarios para la formación de BEC moleculares.
Los investigadores del Will Lab de la Universidad de Columbia han trabajado constantemente para desarrollar tecnología ultrafría. En 2008, pudieron enfriar un gas de moléculas de potasio y rubidio a unos 350 nanoKelvin. Ayudó a realizar simulaciones cuánticas y a estudiar colisiones moleculares y química cuántica, pero no pudo cruzar el umbral BEC. El año pasado, en 2023, utilizaron microondas para extender la vida útil de un gas bosónico de moléculas de sodio y cesio y lograron alcanzar una temperatura más baja de 36 nanoKelvin, que estaba más cerca del umbral BEC.
En un informe publicado recientemente, el equipo del Laboratorio Will de la Universidad de Columbia informa haber logrado cruzar el umbral de condensación de Bose-Eienstein (BEC) y crear un BEC de moléculas de NaCs a una temperatura ultrafría de 5 nanokelvin (= 5 × 10⁻⁹ Kelvin ). El condensado cuántico molecular se mantuvo estable con una vida útil de aproximadamente 2 segundos. Esto pone fin a varias décadas de búsqueda de un BEC molecular. Se trata de un logro extraordinario y un hito en la ciencia.
La creación de condensados moleculares de Bose-Einstein (BES) tendría relevancia a largo plazo para la investigación en física cuántica fundamental, simulaciones cuánticas, superfluidez y superconductividad y la innovación de nuevas tecnologías, como un nuevo tipo de computadora cuántica.
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Referencias:
- Bigagli, N., Yuan, W., Zhang, S. et al. Observación de la condensación de Bose-Einstein de moléculas dipolares. Naturaleza (2024). 03 de junio de 2024. DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-024-07492-z Versión preimpresa en arXiv https://arxiv.org/pdf/2312.10965
- Universidad de Columbia 2024. Noticias de investigación: el laboratorio más frío de Nueva York tiene una nueva oferta cuántica. Publicado el 03 de junio de 2024. Disponible en https://news.columbia.edu/news/coldest-lab-new-york-has-new-quantum-offering
- La Real Academia Sueca de Ciencias. Información avanzada sobre el Premio Nobel de Física 2001 – Condensación de Bose-Einstein en Gases Alcalinos. Disponible en https://www.nobelprize.org/uploads/2018/06/advanced-physicsprize2001-1.pdf
- NASA. El quinto estado de la materia. Disponible en https://science.nasa.gov/biological-physical/stories/the-fifth-state-of-matter/
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 of NaCs molecules at a ultracold temperature of 5 nanoKelvin (= 5 X 10-9 Kelvin). The molecular quantum condensate was stable with a lifespan of about 2 seconds. This ends several decades long pursuit of molecular BEC. This is a remarkable achievement and a milestone in science.){kind=link}