martes, 17 de enero de 2012

Supermateria: desde superconductores hasta superfluídos

Levitación magnética de un superconductor.
Durante siglos, los estafadores han convencido a las masas que es posible desafiar la gravedad o caminar por las paredes. El público victoriano quedó sin aliento a los trucos de levitación en la que participaban damas con crinolina al cernirse sobre las tablas. Incluso antes de esa fecha, los estafadores y los inventores que engañaban se mostraban orgullosos con máquinas de movimiento perpetuo que podía hacer cosas imposibles, como hacer que el flujo de líquidos se moviera hacia arriba sin consumir energía. Hoy en día, los magos siguen haciendo que anillos sólidos pasen a través unos de otros y se entrelacen -o al menos eso parece-. Pero todos estos son trucos baratos en comparación con lo que el mundo real tiene para ofrecer.
Enfriar una pieza de metal o un cubo de helio cerca del cero absoluto y en las condiciones adecuadas, permite que puedas ver el metal levitando sobre un imán, o que el helio líquido fluya por las paredes de su contenedor o sólidos pasen a través de otros. "Nos encanta observar estos fenómenos en el laboratorio", agrega Ed Hinds, del Imperial College de Londres.

Sin embargo, esta rareza no es mero entretenimiento. A partir de estos extraños fenómenos podemos desentrañar la química y la biología, encontrar la liberación de nuestras crisis de energía y quizás incluso revelar la naturaleza última del universo. Bienvenido al mundo de la Supermateria.

Este mundo es frío. Sólo existe dentro de unos pocos grados sobre el cero absoluto, la temperatura más baja posible. Aunque no se podría pensar que iba a suceder en un lugar helado, nada podría estar más lejos de la verdad. Este es un mundo salvaje, casi surrealista, digno de Lewis Carroll.

Una manera de cruzar el umbral es enfriar el helio líquido a poco más de 2 grados Kelvin. Lo primero que notará es que se puede establecer la rotación de helio y que seguirá girando sólo. Eso es porque ahora es un "superfluido", un estado líquido sin viscosidad.

Otra característica interesante de un superfluido es que fluya por las paredes de su contenedor. Levantar un cubo lleno de helio superfluido y que salga por los lados del cubo, sobre el borde y la parte externa, para reunirse con el líquido extraído.

Aunque fascinante, desafíar la gravedad tal vez no sea de gran utilidad. Un valor mucho más práctico son las extrañas propiedades térmicas del helio superfluido.

Tener un líquido normal fuera de la nevera hará que poco a poco se caliente. Con un superfluido, sin embargo, las reglas habituales no se aplican. Los investigadores que trabajan en el Gran Colisionador de Hadrones del CERN, cerca de Ginebra, Suiza, utilizan esta propiedad para ayudar a acelerar haces de protones. Estos tubos emplean 120 toneladas de helio superfluido colocados alrededor de los 27 kilómetros de circunferencia del acelerador para enfriar los miles de imanes que guían los haces de partículas. Helio líquido en estado normal se calienta considerablemente si se utiliza de esta manera, pero las extraordinarias propiedades térmicas de la versión superfluido significa que su temperatura se eleva en menos de 0,1 kelvin por cada kilómetro del anillo de la viga. Sin superfluidos, habría sido imposible construir una máquina que muchos físicos esperan revelarán los secretos más íntimos de las fuerzas del universo y de bloques de construcción.

Los imanes del LHC tienen super-propiedades. Están hechas del primo sólido de la superfluidez, el superconductor.

A temperaturas cercanas al cero kelvin, muchos metales pierden totalmente la resistencia a la electricidad. Esto no es sólo una reducción gradual de la resistencia, sino una caída dramática a una temperatura específica. Esto ocurre a una temperatura diferente para cada metal y desencadena un fenómeno de gran alcance.

Para empezar, se requiere poco poder para hacer que los superconductores lleven enormes corrientes, lo que significa que pueden generar campos magnéticos intensos -y por lo tanto, su presencia en el LHC-. Así como un conjunto superfluido seguirá girando siempre, una corriente eléctrica en un circuito superconductor nunca se desvanecerá. Eso hace que los superconductores sean ideales para el transporte de energía o almacenamiento.

Los cables utilizados para transmitir la electricidad desde los generadores a los hogares pierden alrededor del 10 por ciento de la energía que llevan en forma de calor, debido a su resistencia eléctrica. Cables superconductores no pierden nada.

Almacenamiento de energía en un superconductor puede tener una perspectiva aún más atractiva. Fuentes de energía renovables como la solar, la eólica o la energía de las olas generan energía a una velocidad impredecible. Usando superconductores se podría almacenar el exceso de energía de estas fuentes para producir cuando la demanda es baja, los problemas energéticos del mundo serían menos.

En el mundo los superconductores están comenzando a trabajar. En China y Japón, los trenes usan otra característica experimental del mundo superconductor: el efecto Meissner.

Coloque una pieza de superconductor por encima de un imán y se situara por encima de ella en lugar de caer. Eso es porque el imán induce corrientes en el superconductor que crean su propio campo magnético en oposición al campo del imán. La repulsión mutua mantiene al superconductor en el aire. Poner un tren sobre un superconductor y su base levita, sin fricción del sistema de transporte. Como "maglev" los trenes no utilizan superconductores de metal porque es demasiado caro para mantener los metales fríos a unos pocos grados Kelvin, sino que utilizan la cerámica que puedan ser superconductores a temperaturas mucho más altas, lo que los hace mucho más fáciles y más baratos para enfriar con nitrógeno líquido.
En los laboratorios más más fríos del Universo, cubos de líquido van hacia arriba y sólidos pasan a través de otros.
 
Un cuento de dos partículas

Siendo comportamientos extraños, ¿que los explica? Tanto la superfluidez y la superconductividad son productos del mundo cuántico. Imagine que tienes dos partículas idénticas y que intercambian sus posiciones. El sistema físico se ve exactamente igual y responde a un experimento exactamente igual que antes. Sin embargo, la teoría cuántica registra el intercambio de multiplicar su estado cuántico a un "factor de fase". El cambio de las partículas trae de nuevo el factor de fase por segunda vez, pero las partículas están en su posición original y así todo vuelve a su estado original. "Desde que cambié dos veces las partículas que trae de vuelta a donde estaba, multiplicando por dos veces esta fase no debe hacer nada en absoluto", agrega John Baez en el Centre for Quantum Technologies en Singapur. Esto significa que la cuadratura de la fase debe dar 1, que a su vez significa que la propia fase puede ser igual a 1 o -1.

Esto es más que un truco matemático: que la naturaleza lleva a dividirse en dos. Según la mecánica cuántica, una partícula puede existir en muchos lugares a la vez y se mueven en más de una dirección a la vez. En el siglo pasado, los teóricos demostraron que las propiedades físicas de un objeto cuántico dependen de sumar en conjunto todas estas posibilidades a dar la probabilidad de encontrar el objeto en un determinado estado.

Hay dos resultados de dicha suma, una donde el factor de fase 1 y uno en el que es -1. Estos números representan dos tipos de partículas, conocidas como bosones y fermiones.

La diferencia entre ellos se hace evidente a bajas temperaturas. Esto es así porque cuando se quita toda la energía térmica, como se  hace cerca del cero absoluto, no hay muchos diferentes estados de energía disponibles. Las únicas posibilidades de poner en las ecuaciones de la teoría cuántica vienen de intercambio de las posiciones de las partículas.

Intercambio de los bosones introduce un cambio de fase 1. Utilizando las ecuaciones para calcular las propiedades físicas de los bosones, se encuentra que sus estados se suman de una manera directa, y que esto significa que hay una alta probabilidad de encontrar los bosones indistinguibles en el mismo estado cuántico. En pocas palabras, a los bosones les gusta socializar.

En 1924, Albert Einstein y Bose Satyendra sugirieron que a bajas temperaturas, el cuerpo de los bosones indistinguibles efectivamente se unen en lo que parece y se comporta como un único objeto, ahora conocido como condensado Bose-Einstein, o BEC.

Los átomos de helio son bosones y su formación en un BEC es lo que da lugar a la superfluidez. Usted puede pensar en el BEC de helio como un átomo gigante en su estado de energía cuántico más bajo posible. Sus extrañas propiedades derivan de ello.

La falta de la viscosidad, por ejemplo, viene del hecho de que hay una gran diferencia de energía entre el estado más bajo y el estado de energía que viene. La viscosidad es la disipación de energía debido a la fricción, pero dado que el BEC se encuentra en su estado más bajo ya, no hay manera de que se pierda la energía -y por lo tanto no tiene viscosidad-. Sólo mediante la adición de gran cantidad de energía puede romper un líquido fuera del estado superfluido.

Si físicamente se levanta una parte de la superátomo, adquiere más energía potencial gravitatoria que el resto. Este no es un equilibrio sostenible para el superfluido. En cambio, el superfluido fluye hacia arriba y fuera de su contenedor para tirar de sí mismo todo de nuevo a un solo lugar.

Los superconductores son también BEC. Aquí, sin embargo, hay una complicación ya que los electrones, las partículas responsables de la conducción eléctrica, son fermiones.

Los fermiones son solitarios. Hay intercambio alrededor de ellos y al igual que el intercambio con la mano izquierda y la derecha, las cosas no tienen el mismo aspecto. Matemáticamente, esta acción introduce un cambio de fase de -1 en la ecuación que describe sus propiedades. El resultado es que cuando se trata de resumir todos los estados, se obtiene cero. Hay cero probabilidad de encontrar en el mismo estado cuántico.

Debemos estar contentos de esto: es la razón de nuestra existencia. El conjunto de la química se deriva de este principio de que los fermiones idénticos no pueden estar en el mismo estado cuántico. Obliga a los electrones de un átomo a ocupar posiciones cada vez más lejos del núcleo. Esto los deja con sólo una débil atracción de los protones en el centro, y por lo tanto libres de participar en la unión y las actividades de otros productos químicos. Sin electrones de intercambio, no habría estrellas, planetas y vida.

Entonces, ¿cómo los electrones son superconductores en la forma BEC? En 1956, Leon Cooper mostró cómo los electrones al moverse a través de una lata de metal se unen de dos en dos y adquiere las características de un bosón. Si todos los electrones en un metal adoptan la forma de cristales como los pares de Cooper, estos bosones se juntan para formar, como en el helio superfluido, una partícula gigante -un BEC-.

La principal consecuencia de esto es una total falta de resistencia eléctrica. En los metales normales, la resistencia surge de electrones chocando en los iones de metal. Pero una vez que un metal se convierte en un superconductor, el condensado de pares de electrones se encuentra en su estado más bajo posible. Esto significa que no se puede disipar la energía y, una vez que los pares de Cooper fluyen en una corriente eléctrica, simplemente seguiran fluyendo. La única manera de alterar la superconductividad sin elevar la temperatura es añadir energía de otra manera, por ejemplo, aplicando un campo magnético lo suficientemente fuerte.

A pesar de que superfluidos y superconductores son extraños, no son el límite de la rareza del mundo cuántico, al parecer. "No hay otro nivel de complejidad", considera Ed Hinds. Que la complejidad entra en juego por debajo de 1 kelvin y en más de 25 veces la presión atmosférica de la Tierra, el helio se convierte en sólido. Esta forma de helio hace estragos con nuestras nociones de solidez. Conseguir las condiciones adecuadas y se pueden hacer que los sólidos pasen a través de unos a otros como fantasmas caminando por las paredes.

Tal efecto se observó por primera vez en 2004 por Moses Chan y Kim Eunseong en Penn State University en University Park, Pennsylvania. Crearon helio sólido en un recipiente que rápidamente giraba hacia atrás y adelante, induciendo oscilaciones en el helio sólido. Se observó una frecuencia de resonancia vibracional que se interpretaba como un indicio de que había dos sólidos en el tanque, que pasaban uno a través de otro.

Es cierto que los dos sólidos no se ajustan a las definiciones habituales. Uno estaba formado por "vacantes", creados cuando los átomos de helio libera la red que forma el helio sólido. Los huecos dejados atrás tienen todas las propiedades de una partícula real -son tan reales como las partículas, de hecho, sus estados cuánticos puedan actuar juntos para formar un BEC-. El helio sólido también es un BEC y son estos dos condensados ​​que pasan a través de otro.

Observación de Chan y Kim sigue siendo algo controversial, algunos investigadores piensan que hay una explicación más prosaica que tiene que ver con las deformaciones y defectos en la red de helio. "Hay un montón de actividades, algunas nociones de la teoría y los experimentos de interés, pero no hay acuerdo real", considera Robert Hallock de la Universidad de Massachusetts en Amherst.

Sin embargo, incluso el hecho de que podría ser posible crear sólidos que no se muestran muy sólidos puede llegar a ser extraño. Y todo es porque el mundo tiene una diferencia fundamental en su corazón. Todo, desde los extraños fenómenos de baja temperatura como líquidos que desafían la gravedad, se deriva del hecho de que hay dos tipos de partículas: las que les gusta socializar, y las que no lo hacen. ¿Suena familiar? Tal vez el mundo cuántico no es tan diferente de nosotros, después de todo.

Superátomos extremos

Los superfluidos, superconductores y los supersólidos deben su comportamiento extraño a la formación de una especie de superátomos dentro de ellos, conocido como el condensado Bose-Einstein (BEC).

Pero ¿podría ser posible crear un estado fuera de un líquido o un sólido? Los investigadores llevan buscando la respuesta varios años, pero en 1995 un equipo de la Universidad de Colorado en Boulder y en los EE.UU. el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología finalmente tuvo éxito en persuadir a un gas de rubidio en un BEC, su nivel más bajo posible de estado cuántico. El avance hizo que los líderes del equipo Carl Wieman y Eric Cornell, Wolfgang Ketterle, junto con el Instituto de Tecnología de Massachusetts, obtuvieran el Premio Nobel 2001 de física.

Cuando Wieman y Cornell hicieron su condensación, su laboratorio se convirtió brevemente en casa para el lugar más frío del universo, a sólo 20 nanokelvin encima del cero absoluto. No era sólo el BEC en el cosmos, sin embargo, aún descontando experimentos con superfluidos o superconductores podría haber tenido lugar exactamente en el mismo tiempo.

El año pasado, el telescopio Chandra de rayos-X descubrió que el núcleo de una estrella de neutrones llamada Cassiopeia A, que se encuentra a 11.000 años luz de la Tierra, es un superfluido. Una cucharadita de material de una estrella de neutrones pesa seis mil millones de toneladas y la intensa presión de las capas exteriores es suficiente para exprimir el núcleo en un BEC. Sin embargo, a pesar del nombre, el núcleo de una estrella de neutrones no es exclusiva de los neutrones, que contiene una porción de protones también, que también forman un BEC. Usted puede pensar en esto como un superfluido o dado que los protones tienen carga eléctrica, un superconductor.

Referencia:
Michael Brooks, "Superstuff: When quantum goes big", New Scientist.

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