domingo, 23 de mayo de 2010

Einstein y...el condensado de Bose-Einstein.


En los años 20 del siglo XX, Albert Einstein amplió las ideas del físico indio Satyendra Nath Bose para predecir que, a temperaturas extremadamente frías, los átomos se unirían en una nueva fase de la materia (diferente a líquido, gas, sólido o plasma) conocida como condensado de Bose-Einstein.

En 1924, Bose vivía en Calcuta y no conseguía llamar la atención de sus colegas europeos sobre su trabajo. Se decidió a escribir a Einstein, adjuntándole un artículo que usaba una nueva forma de estadística para deducir la ley de Planck, la famosa ecuación que representa la intensidad de la radiación de un cuerpo negro como función de la temperatura. Einstein quedó impresionado con la mecánica estadística de fotones de Bose, calificándola como “una avance significativo”. Tradujo personalmente el artículo al alemán e intervino para que se publicase [1] en Zeitschrift Für Physik en 1924.

La nueva estadística de Bose ofrecía más información sobre cómo comprender el comportamiento de los fotones. Bose demostró que si un fotón alcanzaba un estado cuántico específico (un conjunto de variables que incluye la energía que tiene el fotón), entonces existía una pequeña tendencia a que el siguiente fotón alcanzase el mismo estado. Es como si cada vez que golpeases una bola de billar americano hubiese más probabilidad de que fuese a la tronera (bolsillo) donde ya hay una bola.

Bose había aplicado su estadística a un “gas” de fotones. Esto indujo a Einstein a considerar la aplicación de la estadística de Bose a un gas ideal de átomos o moléculas; Einstein quería ver qué pasaba cuando uno trataba con materia de verdad. Basándose en el trabajo de Bose, Einstein terminó deduciendo un conjunto de fórmulas que predecían cómo los átomos de un gas deberían comportarse, que resulta ser correcto para cierto tipo de partículas, entre ellas protones y neutrones, que ahora se conocen, apropiadamente, como bosones.

Como consecuencia de estas nuevas ideas surgía una predicción de lo que les ocurriría a los átomos a temperaturas extremadamente bajas, cercanas al cero absoluto. En 1925, Einstein descubrió que si a un gas se le baja la temperatura hasta aproximarla al cero absoluto, una temperatura a la que los átomos casi no se muevan, todos alcanzarán exactamente el mismo estado cuántico.

Volviendo a la mesa de billar, podemos imaginar que dejamos caer 20 bolas sobre la mesa y vemos cómo ruedan cada una hasta terminar en troneras diferentes. Esta clase de rodar aleatorio es lo que ocurre a temperaturas normales: cada átomo en un estado cuántico específico. Pero cerca del cero absoluto, esas bolas dejadas caer irían, una tras otra, a la misma tronera. En el cero absoluto, los átomos se “bloquean” en el mismo estado cuántico y van uno detrás de otro sin discusión. Se unen en un nuevo estado de la materia que se denomina condensado de Bose-Einstein. Todos los átomos en un condensado de Bose-Einstein pierden su identidad individual. Marchan al unísono, actuando como un solo superátomo. De hecho, los condensados de Bose-Einstein interaccionan entre sí como una partícula con otra: se repelen o atraen igual que los átomos individuales.

Einstein publicó su trabajo en dos artículos en 1925 [2][3], cuando tenía 46 años. No es habitual que un científico haga una contribución de este calibre en un campo completamente nuevo cuando ya tiene más de 40 años y, de hecho, esta fue la última gran contribución de Einstein a la física. Setenta años más tarde el condensado de Bose-Einstein fue observado experimentalmente en átomos de rubidio.

Referencias:

[1]

Bose, S.N . (1924). Plancks Gesetz und Lichtquantenhypothese Zeitschrift für Physik, 26 (1), 178-181 DOI: 10.1007/BF01327326


[2]

Einstein, A. (1925). Quantentheorie des einatomigen idealen Gases.I Sitzungsberichte Akad. Berlin DOI: 10.1002/3527608958.ch27

[3]

Einstein, A. (1925). Quantentheorie des einatomigen idealen Gases.II Sitzungsberichte Akad. Berlin DOI: 10.1002/3527608958.ch28