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domingo, 15 de enero de 2017

Cold Atom Lab. El lugar más frio del universo.

Todo el mundo sabe que el espacio es frío. En la gran distancia entre las estrellas y las galaxias, la temperatura de la materia gaseosa cae rutinariamente a 234ºC bajo cero. Estamos a punto de conseguir aún más frío.

Investigadores de la NASA planean crear el lugar más frío del universo conocido dentro de la Estación Espacial Internacional. “Vamos a estudiar la materia a temperaturas mucho más frías que las que se encuentran en forma natural”, dijo Rob Thompson, del Laboratorio Jet Propulsion de la NASA. Él es el científico del proyecto Cold Atom Lab de la NASA, un "refrigerador" atómico programado para ser lanzado a la ISS en 2016. “Nuestro objetivo es bajar la temperatura efectivamente hasta 100 pico-Kelvin.”
100 pico-Kelvin es sólo una diez mil millonésima de grado sobre el cero absoluto, donde, en teoría, toda la actividad térmica de los átomos se detiene. A temperaturas tan bajas, los conceptos ordinarios de sólido, líquido y gaseoso ya no son relevantes. Los átomos que interactúan justo por encima del umbral de energía cero crean nuevas formas de materia que son esencialmente cuánticas.
La mecánica cuántica es una rama de la física que describe las extrañas reglas de la luz y la materia a escalas atómicas. En ese ámbito, la materia puede estar en dos lugares a la vez, los objetos se comportan como partículas y ondas, y nada es seguro: en el mundo cuántico rige la probabilidad.
Es en este extraño reino que los investigadores que utilizan el Lab Cold Atom se zambullirán.
“Vamos a comenzar”, dice Thompson, “con el estudio de los condensados de Bose-Einstein.”
En 1995, los investigadores descubrieron que si se toman unos millones de átomos de rubidio y se enfrían cerca del cero absoluto, se fusionan en una sola onda de materia. El truco funcionó con el sodio, también. En 2001, Eric Cornell, del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología y Carl Wieman, de la Universidad de Colorado, compartieron el Premio Nobel con Wolfgang Ketterle del MIT por su descubrimiento independiente de estos condensados, que Albert Einstein y Satyendra Bose habían pronosticado a principios del siglo 20.
Si se crean dos condensados de Bose-Einstein (CBE) y los juntas, no se mezclan como un gas ordinario. En cambio, pueden “interferir” como las ondas: delgadas capas paralelas de materia son separadas por finas capas de espacio vacío.
Concepto artístico de una trampa magnética que será usada por el Cold Atom Lab a bordo de la Estación Espacial Internacional. Image Credit: NASA/JPL-Caltech.
“El Cold Atom Lab nos permitirá estudiar estos objetos a, tal vez, las temperaturas más bajas de la historia”, dijo Thompson.
El laboratorio es también un lugar donde los investigadores pueden mezclar gases atómicos súper enfriados y ver qué pasa. “Las mezclas de diferentes tipos de átomos pueden flotar juntos casi completamente libres de perturbaciones”, explica Thompson, “lo que nos permite realizar sensibles mediciones de interacciones muy débiles. Esto podría llevar al descubrimiento de interesantes y novedosos fenómenos cuánticos”.
La Estación Espacial Internacional es el mejor lugar para hacer esta investigación. La microgravedad permite a los investigadores enfriar materiales a temperaturas mucho más frías de lo que son posibles en tierra.
Thompson explica por qué: “Es un principio básico de la termodinámica que cuando se expande un gas, se enfría. La mayoría de nosotros tenemos experiencia de primera mano con esto. Si usted rocía una lata de aerosol, la lata se enfría”.
Los gases cuánticos se enfrían en gran parte de la misma manera. En lugar de un aerosol, sin embargo, tenemos una ‘trampa magnética.’
“En la ISS, estas trampas se pueden hacer muy débiles debido a que no tienen que sostener los átomos en contra de la fuerza de la gravedad. Las trampas débiles permiten que los gases se expandan y enfríen a temperaturas más bajas de lo que se puede en la tierra”.
Nadie sabe a dónde conducirá esta investigación fundamental. Incluso las aplicaciones “prácticas” enumeradas por Thompson-- sensores cuánticos, interferómetros de onda de materia y láseres atómicos, sólo por nombrar unos pocos -- suenan como ciencia ficción. “Estamos entrando en lo desconocido”, dice.
Los investigadores como Thompson piensan en el Cold Atom Lab como una puerta hacia el mundo cuántico. ¿Podría la puerta girar en ambas direcciones? Si la temperatura baja lo suficiente, “vamos a ser capaces de ensamblar paquetes de ondas atómicas tan anchas como un cabello humano, es decir, lo suficientemente grandes como para que el ojo humano las vea”. Una criatura de la física cuántica ya habrá entrado en el mundo macroscópico. Y entonces comienza la verdadera emoción.
Fuente: JPL-Caltech/NASA