Sant Feliu està a 20 km d’un dels llocs més freds de l’Univers

No us espanteu! No morirem congelats, no és la tempesta perfecta. Aquest lloc ocupa poc espai, unes micres cúbiques –més petit que el volum d’un glòbul vermell de la sang– i no perilla la nostra integritat. En aquest petit espai passen coses que poden ser molt útils per al futur tecnològic. On és exactament aquest lloc? Concretament estem parlant de l'ICFO (Institut de Ciències Fotòniques) ubicat a Castelldefels, un centre de recerca amb un gran reconeixement internacional on es fan experiments relacionats amb el món de la llum en totes les seves vessants tant per aprofundir en la comprensió dels diferents fenòmens com per buscar noves aplicacions. Per què és útil refredar tant? Doncs resulta que només a aquestes temperatures tan baixes es pot aconseguir tenir un bon nombre d’àtoms molt lents que es comportin seguint les lleis bàsiques de la mecànica quàntica. El més fascinant és que aquest grupet d’àtoms quàntics ens servirà, no només per explorar les lleis de la física en condicions extremes, sinó també per desenvolupar eines tecnològiques noves on la mecànica quàntica jugarà un paper fonamental. Comencem doncs per una pinzellada de quàntica.

Tot són ones: una mica de mecànica quàntica

A escales molt petites –unes 10000000000 vegades més petites que un metro– el moviment dels àtoms no ve descrit per les lleis de Newton, les quals prediuen amb precisió des de la caiguda d’una poma fins al moviment de la lluna. Aquestes lleis fallen estrepitosament quan han de descriure, per exemple, el moviment dels electrons al voltant del nucli atòmic. En aquest cas no hi ha més remei que utilitzar la mecànica quàntica, una branca de la física que ens diu que el comportament dels sistemes molt petits és probabilístic. Els electrons dins d’un àtom no segueixen trajectòries ben definides! Això és completament diferent del que estem acostumats en el nostre dia a dia, on sempre podem descriure la trajectòria dels objectes de manera precisa, pensem en la d'una bola de billar, una pilota de tenis o fins i tot un ocell. Per a l’electró però, només podem preveure la probabilitat de trobar-lo en diferents punts o de que tingui una determinada velocitat. El comportament probabilístic es tradueix en la impossibilitat de conèixer la posició i la velocitat simultàniament. És a dir, si augmenta la precisió de la posició automàticament creix el desconeixement de la velocitat. Aquest és el que es coneix com el Principi d'Indeterminació de Heisenberg, físic alemany de la primera meitat del segle passat i premi Nobel l’any 1932. L’altre pilar de la mecànica quàntica el va posar el físic austríac Erwin Schrödinger (premi Nobel al 1933) que es va a adonar que es podia explicar aquest comportament probabilístic introduint un concepte matemàtic anomenat funció d’ona. Així doncs, trobar l’electró a una posició determinada en un moment donat és proporcional a la amplada de la seva ona quàntica en aquest punt i moment. Schrödinger ens va ensenyar que entendre el comportament d’un feix d’electrons és molt semblant al d’un feix de llum!

Les característiques més rellevants del moviment ondulatori són els fenòmens d’interferència i difracció que hem pogut observar repetidament en les ones que es formen, per exemple, a la superfície de l’aigua quan tirem una pedra i observem com xoquen les onades amb un obstacle dins de l’estany. Els fenòmens d’interferència i difracció tenen lloc quan la longitud d’ona, és a dir, la distància entre dues crestes de les ones (imaginem el cas de l’aigua) és similar a les dimensions on té lloc el fenomen, per exemple la mida d’un roca que sobresurt a la superfície de l’estany. En aquest cas observarem que el patró d’ones és mes complicat i apareixen noves onades petites propagant-se en altres direccions. En canvi si la longitud d’ona és molt petita comparada amb la roca no apareixen.

Quasi bé ens hem oblidat de la temperatura! Doncs no, resulta que els àtoms confinats en una cavitat, com els electrons que comentàvem abans, tenen associada també una ona i la seva longitud d’ona és inversament proporcional a la temperatura. Si les temperatures són altes, la longitud d’ona és molt petita comparada amb la distància entre els àtoms i no observem fenòmens d’interferència quàntica. Hem d’intentar baixar la temperatura per poder observar interferències quàntiques entre les ones dels àtoms. Curiosament en realitat al mateix temps que refredem hem d’intentar que els àtoms no facin el que fan normalment: solidificar. La solució és un compromís: tenir una densitat petita d’àtoms, que eviti la solidificació, i una temperatura prou baixa perquè la longitud d’ona sigui de l’ordre de les distàncies entre els àtoms (Figura 1).

Figura 1.- Variació del comportament de la funció d'ona dels àtoms amb la temperatura

Aturem els àtoms!

El nostre objectiu és clar en aquest punt, baixar la temperatura del petit gas d’àtoms i tenir efectes quàntics importants. Tots hem observat que a l'augmentar la temperatura, per exemple de l’aigua, passem de l’estat sòlid al líquid i, finalment, a partir del punt d’ebullició tenim l’aigua en estat gasós. En realitat la temperatura d’un gas es una mesura del seu contingut energètic, és a dir de l'energia cinètica dels seus àtoms. Baixar-la consisteix en treure energia al gas, el que equival a aturar els seus àtoms. Aquest procés de manera intuïtiva té un límit, que anomenem el zero absolut el qual s’assoliria quan no poguéssim treure més energia del gas, és a dir quan haguéssim aturat tots el àtoms del gas. Aquesta temperatura, es troba a -273.16 graus. Quan parlem d’aquests temes solem utilitzar una escala de temperatures que comença a aquesta temperatura límit i que anomenem Kelvin. Per fer-se una idea hem de pensar que a la temperatura ambient (uns 300 Kelvin), els àtoms que composen l’aire d’una habitació es mouen a una velocitats mitjana de 400 m/s i quan arribem a les temperatures del microkelvin es mouen a unes velocitats de 10 cm/s . Però, baixar la temperatura, treure energia del sistema, no es gens fàcil, de fet és molt més senzill escalfar-lo!

Tot i així, ara fa uns 25 anys es van revolucionar les tècniques per disminuir la temperatura. El primer avenç va ser abandonar els mètodes tradicionals amb els que funciona la nevera de casa, basats en l’expansió i compressió d’un gas. Segurament, hem observat que quan s’escapa un gas d’un recipient, es produeix una disminució de temperatura i el recipient es refreda. Per exemple una bombona de càmping gas, es refreda quan la volem canviar sense fer atenció i hem de deixar-la anar degut a la baixa temperatura que es genera i que ens arriba a cremar les mans (valgui la paradoxa). Aquest mètode, que es va fer servir amb èxit des de principis del segle passat per liquar els gasos té uns límits ben marcats i malgrat que ha permès arribar a temperatures baixes (del ordre dels milikelvins) sempre queden lluny de les que es necessiten en el nostre cas.

La revolució va a consistir en fer servir llum làser –la dels lectors de CD o els punters– per aturar els àtoms. Fent xocar adequadament els àtoms amb llum làser aconseguim atrapar-los en una zona de l’espai i alentir-los fins arribar a temperatures, molt properes al 0 Kelvin. El resultat és que hem aconseguit arribar a temperatures de l’ordre dels microkelvins, 10000 vegades més fred que un got d’aigua natural! Aquesta revolució en el món de les baixes temperatures va ser tan rellevant que als principals físics involucrats: Steven Chu, Claude Cohen-Tannoudji i William D. Phillips, se’ls va reconèixer amb el premi Nobel l’any 1997 per desenvolupar aquests mètodes de refredament. Tot i així, el fred aconseguit amb aquestes tècniques no és encara suficient, s’arriba fins els 30 microkelvins. Cal un pas més que s’aconsegueix de manera molt similar a com refredem una tassa de cafè, per evaporació, és a dir permetre que marxin els àtoms amb més energia. Els àtoms restants tindran menys energia i estaran per tant a una temperatura més baixa. D’aquesta manera s’arriba a la temperatura a la que comença a manifestar-se la mecànica quàntica amb claredat: els nano-kelvins, ara estem 10000000000 vegades més fred que el got d’aigua. El gas en aquestes condiciones el tenim atrapat en el buit i en un recipient format normalment per un camp magnètic que els confina a una petita regió de l’espai. Els primers experiments exitosos es van aconseguir quasi simultàniament l’any 1995, per l’equip de Carl Wieman i Eric Cornell al laboratori JILA (Colorado) amb uns àtoms de Rubidi i per l’equip de Wolfang Ketterle al Institut Tecnològic de Massachusetts (MIT) que va aconseguir confinar i refredar uns milers d'àtoms de Sodi. Els mèrits i la importància d’aquests experiments van ser reconeguts amb el premi Nobel de l’any 2001, una de les vegades que menys s’ha tardat entre la realització de l’experiment o descobriment i la concessió del premi Nobel.

Figura 2.- Eixam de làsers utilitzat per aconseguir el refredament dels àtoms al laboratori de Leticia Tarruell a l'ICFO.

Els àtoms formen un gran condensat, el condensat de Bose-Einstein

Aquests àtoms atrapats a temperatures de nanokelvins, no només tenen unes longituds d’ona de l’orde de la distància entre ells, sinó que, a més a més, es comporten tots de la mateixa manera: podem pensar que tenen tots la mateixa ona i podem parlar d’una ona quàntica de mida quasi-visible. Però, per entendre això, encara hem de considerar un altre aspecte de la mecànica quàntica: la indistingibilitat.

En mecànica clàssica quan tenim partícules idèntiques –més o menys com boles de billar iguals– sempre les podem distingir, doncs podem seguir la trajectòria de cadascuna d’elles i, encara que siguin idèntiques, sempre seran distingibles. En el cas de la mecànica quàntica, i com a conseqüència del comportament probabilístic i per tant la manca de trajectòries ben definides, realment no podem distingir els àtoms. Aquest fet té conseqüències profundes. Com que no podem saber quina és cada partícula, qualsevol cosa que mesurem per caracteritzar el sistema –com per exemple la densitat– ha de ser independent de que s’intercanviïn dues partícules idèntiques. La natura ha resolt aquest problema de la indistingibilitat de dues maneres: o bé el conjunt té un comportament bosònic anomenat així en honor del físic indi Satyendranath Bose, o bé té un comportament fermiònic anomenat així en homenatge al físic italià Enrico Fermi premi Nobel de l’any 1938. Així diem que les partícules poden ser bosons (el mediàtic bosó de Higgs entre d’altres) o fermions (l’electró, protó, neutró...).

Quan els àtoms o les partícules tenen comportament fermiònic, es tradueix en que no poden haver-n’hi dues en el mateix estat quàntic. Col·loquialment diem que els fermions són individualistes i poc sociables. Una imatge la tindríem en un conjunt de persones anant al teatre i seient cadascuna a la seva butaca, no hi podrien haver-hi dos espectadors a la mateixa butaca, en el mateix estat. De fet, això que acabem d’enunciar, no és res mes que el Principi de Pauli (Wolfang Pauli, físic alemany del segle passat, premi Nobel l’any 1945). Una conseqüència del Principi de Pauli és que dos electrons dins d’un àtom no poden ocupar el mateix estat quàntic. Aquest fet ens permet explicar la Taula Periòdica dels elements, juntament amb l’estructura atòmica i l’estabilitat dels àtoms.

Per altra banda també s’observa el comportament bosònic, associat amb la imatge de individus molt sociables, als quals els hi agrada a tots fer el mateix i ocupar el mateix estat. Continuant amb l’analogia anterior a ells els hi agrada seure tots a la mateixa butaca. També podríem pensar en una coral, tots cantant la mateixa nota, o bé en una companyia de ballet amb tots el ballarins ballant el mateix ball. Es precisament el comportament bosònic el que permet l’existència del condensat de Bose-Einstein –Einstein és el mateix senyor que es va preocupar de la teoria de la relativitat però que també es va dedicar a aquests altres problemes, a ell li van atorgar el premi Nobel l’any 1921, per altres raons no relacionades amb els condensats– on s’aconsegueix tenir un nombre considerable, milions!, d’àtoms atrapats en un petit espai comportant-se com un sol objecte quàntic tan gran que casi podem veure’l amb el ull! (figura 1, panell inferior)

Tornem a Castelldefels: Un futur de tecnologies quàntiques

En el cas que ens ocupa, al laboratori de Leticia Tarruell a Castelldefels, treballen amb àtoms de Potassi –aquest element que necessitem a la nostra dieta i que està present en els plàtans en les quantitats necessàries per a la nostra salut– a unes temperatures de l’ordre dels 60 nanokelvins (Figura 2). Aquest és sense cap mena de dubte el lloc més fred de la península i un dels més freds de l’Univers!

El món de les possibles aplicacions dels condensats i dels gasos freds s’ha anat ampliant sense parar. Com diu el premi Nobel Claude Cohen-Tannoudji, la mecànica quàntica ha deixat de ser una teoria abstracta per a especialistes, i ara les seves aplicacions (làser i ressonància magnètica entre d'altres) s’han integrat a la nostra vida quotidiana encara que no en siguem plenament conscients. Sens dubte és el moment d’integrar la mecànica quàntica a la nostra educació i cultura. Estem segurs que amb els condensats de Bose-Einstein tindrem també una evolució similar a la de la llum làser que ha acabat utilitzant-se en aplicacions rutinàries als estris casolans. Aviat veurem aplicacions espectaculars dels condensats als ordinadors quàntics i a les comunicacions que suposaran una nova revolució tecnològica. Potser ha arribat el moment de posar els nostres estalvis en muntar una empresa de condensats de Bose-Einstein!*

* Els autors no es fan responsables si la empresa no dóna beneficis monetaris, en qualsevol cas segur que ens ajuda a entendre el món en les condicions més extremes!

 

Dr. Bruno Juliá-Díaz i Dr. Artur Polls

Departament de Física Quàntica i Astrofísica i Institut de Ciències del Cosmos

De la Universitat de Barcelona.

 

Per seguir aprenent:
Web del laboratori de gasos ultrafreds a l’ICFO, http://www.qge.icfo.es/
Llibre «El frío absoluto», Bruno Juliá-Díaz, col·lecció «un paseo por el cosmos», RBA 2016
«Mecánica cuántica de los condensados de Bose-Einstein», Artur Polls, Jordi Boronat, Ferran Mazzanti, Investigación y Ciencia 293 (2001).
«El gas mas frío del universo», Graham P. Collins, Investigación y Ciencia 293 (2001).

Comentaris

Andreu Sant Feliu de Llobregat
1.

Moltes gràcies per explicar-nos-ho.

  • 2
  • 0

Comenta aquest article

Publicitat
Publicitat