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» » » Superstuff: Estados extraños de la materia

Durante siglos, los estafadores han convencido a las masas que es posible desafiar la gravedad o caminar por las paredes. El público victoriano quedaba boquiabierto ante los trucos de levitación, donde participaban unas damas con sus faldas revoloteando sobre las tablas. Incluso antes de esas fechas, estafadores e inventores engañabobos mostraban orgullosos las máquinas de movimiento perpetuo que podía hacer cosas imposibles, como hacer que un flujo líquido ascendiera sin consumir energía. Hoy en día, los magos siguen haciendo pasar anillos sólidos unos a través de otros y entrelazarlos, o al menos eso parece. Pero estos son trucos baratos en comparación con lo que el mundo real tiene que ofrecer.

Enfriar una pieza de metal o un cubo de helio cerca del cero absoluto, y en las condiciones adecuadas, y verás el metal levitando sobre un imán, el helio líquido fluyendo por las paredes de su contenedor o sólidos que pasan unos a través de otros. "Nos encanta observar estos fenómenos en el laboratorio", comenta Ed Hinds, del Imperial College de Londres.

Estas rarezas no es un mero entretenimiento, partiendo de estos extraños fenómenos podemos desentrañar toda su química o biología, encontrar una liberación a nuestra esclavitud energética, o tal vez, revelar la naturaleza última del universo. Bienvenidos al mundo Superstuff.

Este mundo está frío. Sólo existe dentro de unos pocos grados sobre el cero absoluto, la temperatura más baja posible. Aunque se podría pensar que en un lugar helado muy poco puede ocurrir, nada está más lejos de la verdad. Éste 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 establece una rotación del helio, y que seguirá haciéndolo. Eso es porque ahora es un "superfluido", un estado líquido sin viscosidad.

Una característica interesante de un superfluido es que fluye por las paredes de su contenedor. Levanta un cubo lleno de helio superfluido fuera de una cuba llena, y entonces se saldrá por los lados del cubo, subiendo por el borde hacia el exterior, para reunirse con el líquido donde fue extraído.

Aunque fascinante, es posible que tales travesuras que desafían la gravedad no sean de gran utilidad, pero un valor mucho más práctico son las extrañas propiedades térmicas del helio superfluido.

Tener un líquido normal fuera de la nevera, te encuentras con que se calienta. 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 entuban 120 toneladas de helio superfluido alrededor de los 27 kilómetros de circunferencia del acelerador, para enfriar los miles de imanes que guían los haces de partículas. El helio líquido normal se calienta considerablemente si se utiliza de esta manera, pero las extraordinarias propiedades térmicas de la versión superfluida hacen que su temperatura se eleve en menos de 0,1 kelvin por cada kilómetro del anillo de haces. Sin superfluidos, habría sido imposible construir esta máquina, de la que muchos físicos esperan que revele los secretos más íntimos de las fuerzas del universo y sus bloques de construcción.

Los imanes del LHC tienen super-propiedades. Están hechos de un primo superfluido sólido, un superconductor.

A temperaturas cercanas a cero kelvin, muchos metales pierden totalmente la resistencia a la electricidad. Esto no redunda sólo en una reducción gradual de la resistencia, sino en una caída en picado hacia una temperatura específica. Esto ocurre a una temperatura diferente para cada metal, y desencadena un poderoso fenómeno.

Para empezar, se necesita muy poco energía para hacer que los superconductores puedan acarrear enormes corrientes, lo que significa que pueden generar intensos campos magnéticos, esa es la razón de su presencia en el LHC. Y así como un superfluido seguirá en su rotación siempre, de igual forma una corriente eléctrica en un circuito superconductor nunca se desvanecerá. Esto hace a dichos superconductores ideales para el transporte de energía o para almacenarla.

Los cables utilizados para transmitir electricidad desde los generadores a los hogares pierden alrededor de un 10% de la energía que transportan en forma de calor, debido precisamente a su resistencia eléctrica. Un cable superconductor no pierde nada.

El almacenamiento de energía en un superconductor podría tener una perspectiva aún más atractiva. Las fuentes de energía renovables, como la solar, eólica o la energía de las olas, generan energía a una velocidad impredecible. Si los superconductores se pudieran utilizar para almacenar el exceso de energía de estas fuentes cuando la demanda está baja, los problemas energéticos del mundo se habrían reducido enormemente.

Ya estamos poniendo a los superconductores a trabajar. En China y Japón, los trenes experimentales usan otra característica del mundo de los superconductores: el efecto Meissner.


Esta característica del superconductor, que al colocar encima un imán se quede livitando por encima en lugar de caer, se debe a que el imán induce corrientes en el superconductor, que a su vez crea su propio campo magnético en oposición al campo del imán. La repulsión mutua mantiene al imán en el aire. Si se pone un tren sobre un superconductor te encuentras con una base que levita, un sistema de transporte sin fricción. Los trenes "maglev", por ejemplo, no utilizan superconductores de metal, porque son demasiado caros para mantener a los metales enfriados a unos pocos grados Kelvin, en cambio usan la cerámica que llegan a ser superconductores a temperaturas más altas, lo que los convierte en mucho más fáciles y baratos de enfriar con nitrógeno líquido.

La historia de dos partículas

En realidad, esto son comportamientos extraños, así que vamos a explicarlos. Tanto la superfluidez como la superconductividad son productos del mundo cuántico. Imagina que tienes dos partículas idénticas, y que intercambias 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 debido a la multiplicación del estado cuántico de un "factor fase". El intercambio de partículas nos trae de nuevo el factor fase por segunda vez, pero las partículas están ya en su posición original y así todo vuelve a su estado original. "Una vez que se produce el intercambio dos veces, las partículas vuelven a donde estaban, si se multiplica dos veces esta fase no pasa nada en absoluto", dice John Baez, del Centre for Quantum Technologies en Singapur. Esto significa que la cuadratura de esta fase debe dar 1, lo que a su vez significa que la propia fase ha de ser igual a 1 ó -1.

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

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

La diferencia entre ellas se hace evidente a bajas temperaturas. Esto es así, porque cuando se elimina toda la energía térmica, algo que ocurre cerca del cero absoluto, no existen muchos estados diferentes de energía disponibles. Las únicas posibilidades a poner en las ecuaciones de la teoría cuántica provienen del intercambio de las posiciones de las partículas.

El intercambio de bosones introduce un cambio de fase de 1. Si usamos las ecuaciones para calcular las propiedades físicas de los bosones, encontramos que sus estados se suman en conjunto de una manera directa, y esto lo que significa, es que hay una alta probabilidad de encontrar a los indistinguibles bosones en el mismo estado cuántico. En pocas palabras, los bosones parecen ser muy sociables.

En 1924, Albert Einstein y Satyendra Bose sugirieron que a una temperatura lo suficientemente baja, el cuerpo de indistinguibles bosones se fusionarían de manera efectiva, tanto en aspecto como en comportamiento, como un único objeto, ahora conocido como el 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. Uno puede imaginarse el BEC de helio como un átomo gigante en su estado más bajo posible de energía cuántica. Sus extrañas propiedades derivan de ello.

La ausencia de viscosidad, por ejemplo, proviene de que hay un abismo diferencial de energía entre el estado más bajo y el siguiente estado energético. La viscosidad es la disipación de energía debido a la fricción, pero dado que el BEC se encuentra ya en su estado más bajo, no hay forma de perder más energía, por lo tanto, no tiene viscosidad. Solamente mediante la adición de gran cantidad de energía se puede sacar a un líquido de su estado superfluido.

Si físicamente elevamos una parte del superátomo, adquiere más energía potencial gravitatoria que el resto. Esto no es un equilibrio sostenible para un superfluido. En lugar de eso, el superfluido fluye hacia arriba y fuera de su contenedor tirando de sí mismo para poder estar de nuevo en un solo lugar.

Los superconductores son también BEC. Aquí, sin embargo, la cosa se complica, ya que los electrones, esas partículas responsables de la conducción eléctrica, son fermiones.

Los fermiones son unos solitarios. Cualquier cambio entre ellos, ya sea a izquierda o derecha, y las cosas dejan de tener 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 probabilidades de encontrarlos en el mismo estado cuántico.

Y podemos alegrarnos de esto, puesto que implica la razón de nuestra existencia. De este conjunto químico se deriva el principio que señala que los fermiones idénticos no pueden estar en el mismo estado cuántico. Lo que obliga a los electrones de un átomo a ocupar posiciones cada vez más lejos del núcleo. Esto les deja con sólo una débil atracción hacia los protones del centro, y de esta manera, se quedan libres de participar en enlaces y otras actividades químicas. Sin esa disminución de señal de las posiciones de intercambio de los electrones, no habría estrellas, planetas ni vida.

Entonces, ¿qué hacen los electrones en los superconductores desde el BEC? En 1956, Leon Cooper, mostró cómo los electrones se movían a través de un metal para enlazarse en parejas y adquirir las características de un bosón. Si todos los electrones del metal se comportan en red cristalina, como en el par de Cooper, estos bosones se unirían para formar, como en el helio superfluido, una partícula gigante, un BEC.

La principal consecuencia de esto es una total ausencia de resistencia eléctrica. En los metales normales, la resistencia surge de los electrones que chocan con los rebotantes iones de metal. Pero una vez que un metal se convierte en un superconductor, el condensado par-electrónico se encuentra en su estado más bajo posible. Esto significa que la energía no se puede disipar y, que una vez que el par de Cooper se pone a fluir en una corriente eléctrica, simplemente, seguen fluyendo. La única manera de alterar la superconductividad sin elevar la temperatura es añadirle energía de otra manera, por ejemplo, aplicando un campo magnético lo suficientemente fuerte.

A pesar de que los superfluidos y superconductores son bastante extraños, no hay límites para la rareza en el mundo cuántico, al menos eso parece. "Existe otro nivel de complejidad", señala Ed Hinds. Esta complejidad entra en juego por debajo de 1 grado 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. Se puede conseguir en condiciones adecuadas que los sólidos pasen a través unos de otros, como fantasmas caminando por las paredes.

Tal efecto fue observado por primera vez en 2004, por Moses Chan y Eunseong Kim, en la Penn State University en Pennsylvania. Crearon el helio sólido en un tanque que podía girar rápidamente atrás y adelante, induciendo oscilaciones en el helio sólido. Observaron una frecuencia de resonancia vibracional que ellos interpretaron como indicativo de que había dos sólidos en el tanque, que estaban atravesándose uno a otro.

Tuvieron que admitir que los dos sólidos se salían del molde de las definiciones habituales. Uno estaba formado por "huecos", creado cuando los átomos de helio se liberaban de la red que forma el helio sólido. Estos huecos dejados atrás tienen todas las propiedades de una partícula real, y tan reales como cualquier partícula, de hecho, sus estados cuánticos puedan actuar unidos para formar un BEC. El helio sólido también es un BEC, y son estos dos condensados ​​los que pasan uno a través de otro.

Observación de Chan y Kim sigue siendo algo controvertida, algunos investigadores piensan que debe haber una explicación más prosaica para estas deformaciones y defectos de la entramada red de helio. "Hay una gran actividad, algunas nociones de teoría y experimentos de interés, pero nada sobre un acuerdo real", comenta Robert Hallock de la Universidad de Massachusetts, en Amherst.

No obstante, incluso el hecho de que sea posible crear sólidos que no sean realmente sólidos, demuestra hasta qué punto de rareza puede llegar a ser el mundo Superstuff. Y todo es porque el mundo hace una diferencia fundamental en su corazón. Absolutamente todo, desde los seres humanos hasta los extraños fenómenos a baja temperatura, como los líquidos que desafían la gravedad, derivan del hecho de que hay dos tipos de partículas: aquellas que son sociables y las que no lo son. Esto suena familiar..., tal vez el mundo cuántico no es tan diferente del nuestro, después de todo.


Anexo: Superátomos extremos
Los superfluidos, superconductores y los supersólidos, deben su comportamiento extraño a la formación de una especie de superátomo dentro de ellos, conocido como el condensado Bose-Einstein (BEC).
Pero, ¿sería posible crear un estado que no fuese ni líquido ni sólido? Esto llevó a investigaciones durante muchos años, pero en 1995 un equipo de la Universidad de Colorado en Boulder y el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología de EE.UU., finalmente consiguió persuadir a un gas de rubidio para convertirse en un BEC, su estado cuántico más bajo posible. Este avance permitió ganar a los líderes del equipo, Carl Wieman y Eric Cornell, junto a Wolfgang Ketterle, del Instituto de Tecnología de Massachusetts, el Premio Nobel 2001 de física.
Cuando Wieman y Cornell hicieron su condensado, su labaoratorio se convirtió brevemente en el lugar más frío de este mundo, a tan sólo 20 nanokelvin por encima del cero absoluto.

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

Referencia: NewScientist.com, 16 de enero 2012, por Michael Brooks
Imagen: Julien Pacaud, Video: Superconducting disc locked in upside-down levitation, News Scientist .

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