Universidad Nacional de Colombia Aproximación al cero absoluto manipulando fenómenos electromagnéticos APROXIMACIÓN AL CERO ABSOLUTO MANIPULANDO FÉNOMENOS ELECTROMAGNÉTICOS Universidad Nacional de Colombia Sede Bogotá Facultad de Ingeniería Departamento de Ingeniería Química y Ambiental Manuel Alejandro Montero Suarez Cód. 244655 Mayo de 2010 RESUMEN Los científicos en especial los físicos tienen el reto desde hace ya muchos años de saber cómo son las temperaturas cercanas al cero absoluto (0 k), pero la carencia de tecnología solamente ha permitido llegar a temperaturas no muy bajas, a medida que pasaban los años, las tecnologías mejoraban y cada vez era más factible llegar a una temperatura muy fría, en la segunda Conferencia Internacional de Pesas y Medidas (CIPM-19481) la temperatura más baja conocida era de 90.03 k, designada como el punto de ebullición del oxigeno, en la tercera CIPM-1968 la temperatura más baja conocida era de 13.66 k otorgada a el punto triple del hidrogeno, para la cuarta CIPM-1989, el punto más bajo destacado era de 3 a 5 k asignado para el punto de ebullición del helio, desde ese momento se han registrado varios “records” de temperaturas ultra frías, pero la más importante que revoluciono el mundo del cero absoluto, fue la temperatura alcanzada por el profesor Wolfgang Ketterle2 con un valor de 450 picokelvins, valor obtenido por medio de métodos electromagnéticos y con el concepto básico de los condensados de Bose-Einstein, de los cuales hablaremos en este articulo. Palabras clave: Picokelvins, kelvin, CIPM, temperaturas ultra frías. INTRODUCCION: En primer lugar, les presentare el sentido científico de la temperatura: es la medida del contenido energético de la materia, cuando el aire está caliente, los átomos se mueven a grandes velocidades, y por consiguiente tendrá alta energía cinética; pero si el aire esta frio la energía cinética será baja, entre menor energía, menor velocidad y menor movimiento, cuando estas partículas no tengan ningún movimiento, cuando su energía interna sea cero, se dice que se llego al cero absoluto, lo cual es imposible hacer, ya que las partículas nunca detendrán su movimiento, pero si se puede lograr que su movimiento se acerque a cero, y la forma de determinarlo es con la temperatura. Existen varias escalas de temperatura tanto relativas como absolutas, pero 1-CIPM-Conferencia Internacional de Pesas y Medidas 2-Wolfgang Ketterle, Porfesor De Fisica del MIT 3-mseg, milisegundos 4-Punto de transición, es una temperatura de 2 microkelvin utilizada para la simbología de la imagen en el experimento. 1 Articulo Revista Colombiana de Electricidad y Magnetismo 1 Universidad Nacional de Colombia Aproximación al cero absoluto manipulando fenómenos electromagnéticos la escala utilizada en este trabajo arduo del acercamiento al cero absoluto es el Kelvin, ya que su escala es absoluta por lo tanto no tiene valores negativos. El cero absoluto equivale a -273.15 °C, y como se ve, esta última escala es relativa, y debido a sus cifras significativas, difícilmente se puede establecer un cero absoluto exacto, para eso se utiliza la escala Kelvin. El trabajo realizado por el Profesor Ketterle, que consistió en realizar el primer condensado de Bose-Einstein en 1995 y llegar a una temperatura de 450 pícokelvins, se le galardono con el premio Nobel en física del 2001. El método utilizado por el profesor Ketterle fue el enfriamiento laser utilizando un concepto básico energético de los fotones provenientes del espectro electromagnético, y también utilizo la refrigeración por evaporación basándose en el funcionamiento de una trampa magnética; aunque estas dos frases indican lo contrario a llegar a temperaturas frías, el concepto es bastante profundo para lograr revertir el efecto calórico de estos dos procesos, a continuación se explicara los procesos para finalmente entender que es un condensado de Bose-Einstein. METODOLOGIAS: Para lograr las temperaturas ultra frías, como lo hizo el profesor Ketterle, es necesario realizar dos procesos para lograr una temperatura muy baja estable y duradera, por el orden de los picokelvins. Como mencione anteriormente, los dos procesos utilizados son: el enfriamiento laser, y la refrigeración por evaporación. Para el primer procedimiento, es de entender, que se utiliza una fuente de laser para enfriar los átomos, pero sabemos que un laser es una estimulación de algunas partículas para que produzcan un haz de luz, pero en este haz de luz (laser) todas los fotones son homogéneos, es decir, si se hace inducir un haz de un conjunto de partículas, todos sus fotones tendrán el mismo color y longitud de onda, también se puede ver que al excitar estas partículas, solamente producirá un longitud de onda especifica al antojo del científico. Entendemos claramente que si inducimos un rayo laser este calentara la superficie de contacto, pero el fundamento teórico de este procedimiento, es hacer que los fotones reboten en los átomos quitándoles energía. Para entender mejor el proceso de enfriamiento laser, podemos poner el ejemplo más común, pensamos que los fotones son bolas de ping pong, y los átomos son bolos pesados, la idea es detener los bolos que llevan cierta energía cinética, así que hay que tirar una gran cantidad de bolas de ping pong para detener el bolo y que los ping pong reboten con mayor energía, la cual se la quitaron al bolo y lo detuvieron; el laser que se debe utilizar para esto, es único para cada átomo con longitud de onda especifica y color especifico. Cuando los fotones rebotan en el átomo el electrón en el átomo que absorbe el fotón salta a un nivel superior de energía y rápidamente salta de regreso a su nivel de energía, expulsando de nuevo el fotón. Como decía anteriormente cada átomo responde a un color correcto de luz. Una gran parte de la dificultad de hacer el enfriamiento laser es tener la suficiente cantidad de luz del color exacto. Para esto se necesitan lasers con posibilidad de ajustar el color con gran precisión para obtener el color exacto que necesita el átomo. Si el laser no es el correcto, simplemente los fotones no rebotaran con el átomo, solo pasaran como si nada, pero el mayor problema de ese método es hacer que todos los atomos queden casi quietas, pero abran unas que tengan más velocidad que las otras, por consiguiente unas tendrán más energía cinética que las demás, y si es tan dispareja las velocidades de los átomos, un solo rayo laser detendrá a unos cuantos átomos, pero las demás no las podrá detener debido a su cantidad de energía que tienen, para solucionar este problema, lo único que se debe hacer es proyectar el laser en todas las direcciones, así sea de una sola longitud de onda, los átomos se detendrán en algún momento ya que los fotones están rebotando en todas las direcciones quitando en todo instante energía de los átomos, y los fotones saldrán del sistema ya que esto se realiza en una caja de cristal apropiada para que escapen los fotones; este proceso toma su tiempo para que una gran 1-CIPM-Conferencia Internacional de Pesas y Medidas 2-Wolfgang Ketterle, Porfesor De Fisica del MIT 3-mseg, milisegundos 4-Punto de transición, es una temperatura de 2 microkelvin utilizada para la simbología de la imagen en el experimento. 2 Articulo Revista Colombiana de Electricidad y Magnetismo 2 Universidad Nacional de Colombia Aproximación al cero absoluto manipulando fenómenos electromagnéticos cantidad de átomos se paralicen, los físicos llaman este truco las “melazas ópticas”. Ahora hay que ver que si se obtiene la melaza óptica, algunos átomos tendrán un poco cantidad de energía, suficiente para moverse y chocar con las paredes de la caja y volver a obtener energía, y rebotar con los átomos estáticos, y no se estaría haciendo nada, para eso las emisiones laser se hacen de tal forma de que en la caja se forme una cruz de laser, y finalmente los átomos al entrar a esta “trampa laser” tienden a dirigirse al centro de la cruz donde la intensidad de los rayos laser es alta, y ocurren tantos choques con los fotones hasta que todos lo átomos se paralizan casi totalmente. Para que los átomos tiendan a desviarse al centro de la trampa laser, se colocan pequeños solenoides (bobinas) alrededor de la celda o lugar donde queramos desviar los átomos, y hace conducir corriente eléctrica en ellas en direcciones opuestas entre solenoides. Esto genera un campo magnético que desplaza ligeramente el color de la luz que el átomo quiere absorber y así poder quedar atrapado, el campo magnético es máximo en los extremos de la celda pero mínimo en el centro de ella. Los átomos atrapados en el centro de la cruz de la trampa laser se verán totalmente brillantes, ya que están estáticos y los fotones están rebotando en ellos. Todo esto que escribí es lo que se conoce como el enfriamiento laser, pero los átomos todavía están muy calientes ya que la temperatura máxima alcanzada con este método es de aproximadamente de 0.00001 k, entonces toca implementar un nuevo método, conocido como la refrigeración por evaporación. Se utiliza un segundo método, ya que abra una pequeña cantidad de fotones que choquen con los átomos, permitiendo que tengan un poco de movimiento, esto es lo que limita a la temperatura a la cual se quiere llegar (cero absoluto- cero movimiento). Ahora el proceso de refrigeración por evaporación es mucho más factible para llegar a temperaturas ultra frías, pero para realizarlo ya no se pueden usar fotones, porque como se vio en el enfriamiento laser, es efectivo pero no mucho para llegar a las temperaturas requeridas, así que en vez de trampas laser se utilizan trampas magnéticas, que generan un campo magnético muy fuerte para que tengan contacto directo con los átomos, estos tienen un pequeño campo magnético gracias al spin del electrón. Es correcto afirmar que el campo magnético utilizado en el enfriamiento laser para detener los átomos en la celda es débil, mientras tanto el campo magnético de la trampa magnética es lo suficientemente fuerte para que tenga contacto directo con los átomos como ya se menciono anteriormente. Ahora simplemente se desactiva la trampa laser y se activa la trampa magnética, entonces los átomos estarán casi paralizados pero con cierto movimiento relativo en esta trampa. Ya que introduje el concepto de la trampa magnética que se utiliza, hablare del método de refrigeración por evaporación más seriamente. Este método es lo mismo que hablar de una taza de café muy caliente, que con un tiempo esta se enfría, debido a que las partículas mas energéticas escaparan de la taza de café, llevándose consigo más energía de la que se tienen que llevar, entonces las partículas del fondo de la taza perderán energía, así que simplemente se enfrían cada vez más al trascurrir el tiempo. Ahora supongamos que la tasa es la trampa magnética en forma de U, y los átomos a enfriar son las partículas del café; solamente dejaremos escapar de la trampa magnética aquellos átomos con mayor contenido energético, y estos se llevaran parte de la energía del sistema, hasta que en un momento se enfriara, pero este proceso es muy lento, más que el enfriamiento laser, así que hay que idearse una forma de hacerlo más rápido y más efectivo, y la forma de hacerlo es disminuyendo las paredes de la trampa magnética, pero hay que hacerlo despacio, porque si se hace rápido, escaparan mas partículas de las que escaparían si realizamos el proceso lento de “cuasi -equilibrio” como lo llamarían los estudiosos de la termodinámica. Esto nos garantiza de que la mayor cantidad de atamos dentro de la trampa magnética se enfríen en su totalidad hasta alcanzar temperaturas muy bajas, y que estén posicionados en el fondo de la trampa magnética en forma de U, cuando ya su movimiento sea casi nulo, se observara una masa muy condensada, como una gota de agua que está 1-CIPM-Conferencia Internacional de Pesas y Medidas 2-Wolfgang Ketterle, Porfesor De Fisica del MIT 3-mseg, milisegundos 4-Punto de transición, es una temperatura de 2 microkelvin utilizada para la simbología de la imagen en el experimento. 3 Articulo Revista Colombiana de Electricidad y Magnetismo 3 Universidad Nacional de Colombia Aproximación al cero absoluto manipulando fenómenos electromagnéticos rodeada de partículas gaseosas y es cuando se logra llegar a los famosos condensados de BoseEinstein. Entonces el nuevo problema es observar cual es la forma del condensado de Bose-Einstein, ya que si se observa con un microscopio, habrá de aplicarle una fuente de luz, pero los fotones calentaran nuevamente a estos atamos haciendo que se eleve la temperatura y eso no es lo que queríamos al finalizar el trabajo, otra razón es que este condensado es muy pequeño; pero entonces la forma de ver la forma del condensado es apagar la trampa y después de un tiempo tomar una fotografía rápidamente de la nube formada por la absorción del condensado de Bose-Einstein. Los resultados obtenidos fueron los siguientes expresados en la siguiente imagen: La grafica muestra la condensación de BoseEinstein por imágenes de absorción. Se observa la absorción frente a dos dimensiones especiales. La fila superior muestra las sombras del condensado. En la fila inferior se representa en un grafico tridimensional donde se ve la negrura del condensado con altura. El pico fuerte es el condensado de Bose-Einstein, que se caracteriza por su lenta expansión observada después de 6 mseg3. En la imagen de la izquierda se muestra una gran nube enfriada hasta justo por encima del punto de transición4. En el medio se observa que poco después aparece el condensado, y en la derecha después de la refrigeración por evaporación se ha dejado un condensado casi puro. Esta imagen es tomada del artículo escrito por el profesor Wolfgang Ketterle en el 2003, una publicación de SCIENTIFIC AMERICAN.COM. CONCLUSIONES: Claramente se observa en este trabajo escrito que la finalidad de obtener temperaturas ultra frías, así sea con métodos electromagnéticos presentados en este articulo, u otros métodos, es utilizar estas temperaturas para producir los condensados de Bose-Einstein, pero este descubrimiento todavía es muy reciente y sabemos muy poco acerca de el, así que todavía no conocemos una aplicación real para los condensados, pero si los físicos siguen trabajando en este tema, las aplicaciones futuras serán grandísimas en algunas áreas en especial en la ingeniería. El problema de la escasa aplicación actual, es que estos condensados son muy frágiles, los físicos producen una pequeña cantidad de ellos y además se hacen a partir de pocos elementos, pero en el futuro, estos condensados se realizaran en masa. Si se utilizan estos condensados industrialmente y comercialmente tendrán grandes ventajas, ya que estos parecen mucho a los laser, porque todos los átomos del condensado son iguales, no hay ninguna diferencia en su estado individual, esto quiere decir que ya tenemos mucho mejor control sobre los átomos, sabemos donde están y que tan rápidos se están moviendo (velocidad casi cero), estaríamos desafiando al principio de incertidumbre pero no es necesario hablar de él, algunas aplicaciones podrían ser la fabricaciones de instrumentos muy sensibles, o la realización de estructuras muy pequeñas como chips de computador más eficientes, es de esperar cuales serán las aplicaciones de estos condensados, porque por ahora el impacto del descubrimiento es grande, pero esperaremos un poco para saber finalmente para que podemos utilizar potencialmente los condensados de Bose-Einstein. REFERENCIAS: http://cua.mit.edu/ketterle_group/Research_topic s/Popular_papers.htm 1-CIPM-Conferencia Internacional de Pesas y Medidas 2-Wolfgang Ketterle, Porfesor De Fisica del MIT 3-mseg, milisegundos 4-Punto de transición, es una temperatura de 2 microkelvin utilizada para la simbología de la imagen en el experimento. 4 Articulo Revista Colombiana de Electricidad y Magnetismo 4 Universidad Nacional de Colombia Aproximación al cero absoluto manipulando fenómenos electromagnéticos http://cua.mit.edu/ketterle_group/Projects_2004/ Pubs_04/kett04%20Scientific%20American%20L ow%20temperature%202004.pdf http://es.wikipedia.org/wiki/L%C3%A1ser http://wwwistp.gsfc.nasa.gov/stargaze/Msun5wav.htm http://bibliotecadigital.ilce.edu.mx/sites/ciencia/v olumen2/ciencia3/107/htm/sec_15.htm http://www.unicrom.com/Tel_espectroelectromag netico.asp http://www.espectrometria.com/espectro_electro magntico http://dialnet.unirioja.es/servlet/articulo?codigo= 876000 1-CIPM-Conferencia Internacional de Pesas y Medidas 2-Wolfgang Ketterle, Porfesor De Fisica del MIT 3-mseg, milisegundos 4-Punto de transición, es una temperatura de 2 microkelvin utilizada para la simbología de la imagen en el experimento. 5 Articulo Revista Colombiana de Electricidad y Magnetismo 5