Más Allá Del Frío: Cómo Funciona El Mundo A -459 Grados

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Los átomos a temperatura ambiente se mueven a unos 500 pies por segundo, pero después de que los enfriamos, se mueven a meras décimas de pulgada por segundo, aproximadamente 10 veces más lento que la velocidad máxima de un caracol de jardín común. ¿cómo logramos esta hazaña?

Este artículo de Detrás de las escenas se proporcionó a WordsSideKick.com en colaboración con la National Science Foundation.

La mayoría de nosotros estaría de acuerdo en que 32° F, la temperatura a la que se congela el agua, es un día bastante frío, pero ¿qué hay de -320° F, el punto de ebullición del nitrógeno... o -452° F, el punto de ebullición del helio?

Estas temperaturas son increíblemente altas en comparación con los gases atómicos con los que trabajo como estudiante graduado en el laboratorio del profesor Brian DeMarco en la Universidad de Illinois. Hacemos experimentos con gases atómicos enfriados a solo 10 mil millonésimas de un grado por encima del cero absoluto (-459.67° F).

Los átomos a temperatura ambiente se mueven a unos 500 pies por segundo, pero después de que los enfriamos, se mueven a meras décimas de pulgada por segundo, aproximadamente 10 veces más lento que la velocidad máxima de un caracol de jardín común. ¿Cómo logramos esta hazaña?

La clave es una combinación de láser y enfriamiento evaporativo. La refrigeración con láser puede parecer extraña, ya que los láser se pueden usar para cortar y marcar acero inoxidable, como la parte posterior de un iPod. La luz láser en nuestro experimento, que consiste en miles de millones de billones de pequeños paquetes de energía llamados fotones que vuelan a través de los átomos cada segundo, es especial porque solo dispersa los átomos que se mueven hacia la luz láser, lo que hace que disminuyan su velocidad. Puede imaginar este proceso similar a reducir la velocidad de un automóvil utilizando una serie de pelotas de tenis que viajan en la dirección opuesta.

Atrapando átomos

El enfriamiento por láser se limita a refrigerar el gas atómico a temperaturas cercanas a una millonésima de grado por encima del cero absoluto. Entonces, al igual que su cuerpo suda para regular su temperatura, usamos enfriamiento por evaporación para alcanzar la temperatura más baja posible en nuestro experimento.

Después del enfriamiento por láser, apagamos toda la luz y los átomos quedan atrapados usando imanes. Forzamos a los átomos de energía más alta a salir, y los átomos que quedan atrás se vuelven más fríos. No debemos preocuparnos por la congelación, ya que todo esto sucede dentro de un contenedor de vacío aislante.

Enfriamos estos átomos a temperaturas tan bajas para que su comportamiento esté dominado por los efectos cuánticos.

La mecánica cuántica puede parecer exótica, pero afecta todos los aspectos de su vida, desde la base química de su metabolismo, hasta las fuerzas que evitan que sus pies se caigan por el suelo. El comportamiento cuántico de muchas partículas juntas es la base de gran parte de la tecnología moderna. Por ejemplo, materiales como los semiconductores dentro de los chips de computadora, que consisten en electrones que viajan a través de cristales formados por iones, usan el comportamiento cuántico de esos electrones para hacer transistores. Algunos efectos cuánticos en los materiales no se comprenden bien, como lo que ocurre dentro de los superconductores de "alta temperatura" que pueden funcionar a temperaturas más altas que el punto de ebullición del nitrógeno. En un superconductor, la resistencia al flujo de electrones a través del material se desvanece por debajo de una cierta temperatura.

Los superconductores, que ya son comunes en las máquinas de resonancia magnética en los hospitales de todo el país, podrían usarse para mucho más (como ahorrar energía en la transmisión de electricidad desde una central eléctrica a su casa) si funcionan a temperaturas aún más altas. Los físicos no saben cómo lograr esto, porque no entendemos mucho sobre cómo funcionan los superconductores de alta temperatura.

Ni siquiera podemos usar nuestros supercomputadores más poderosos para simular estos materiales. En este momento solo podemos calcular el comportamiento de unos 10 electrones, en comparación con los millones de billones de billones de electrones en un cable superconductor. Cada 10 años, los avances en la velocidad de las computadoras nos permiten agregar solo un electrón a una simulación de computadora. Estamos tratando de arrojar luz sobre estos materiales en nuestro laboratorio utilizando un enfoque muy diferente llamado simulación cuántica.

Hemos construido un sistema que reemplaza los electrones con átomos ultra fríos y el cristal iónico con un cristal de luz. El resultado es lo que llamamos un simulador cuántico, porque hemos reemplazado el sistema que deseamos entender con algo que podemos medir y manipular fácilmente. Los materiales reales requieren sondas sensibles para observar los electrones y técnicas especiales que requieren mucho tiempo para cambiar las propiedades del material. Con nuestro simulador podemos obtener imágenes de los átomos directamente y cambiar la naturaleza del "material" con solo cambiar las perillas en el laboratorio.

La idea de usar un sistema cuántico para simular otro fue imaginada por primera vez por Richard Feynman en 1981, un físico galardonado con el Premio Nobel en 1965 y quien ayudó a comprender cómo la falla de la junta tórica llevó al desastre del Challenger en 1986.

Lo que hacen los estudiantes de posgrado

Ser un estudiante graduado en un proyecto como este implica muchas responsabilidades. Primero, tuvimos que construir nuestro simulador, que es uno de los experimentos más complejos que se pueden hacer en un laboratorio del tamaño de una habitación grande. El equipo está distribuido en dos mesas de acero que pesan 1000 libras cada una y son flotadas por pistones de aire para reducir las vibraciones. El experimento utiliza más de 10 láseres diferentes y cientos de espejos y lentes. Contamos con estanterías de componentes electrónicos y varias computadoras para ejecutar todo el asunto. Afortunadamente, solo tuvimos que arreglar todo una vez.

Mi papel como estudiante graduado implica principalmente ejecutar el experimento y hacer mediciones.

A veces ejecutamos el experimento con un cierto resultado en mente.Sin embargo, como toda ciencia, por lo general hay un poco de suerte. De vez en cuando obtenemos un resultado que no podemos entender al principio. Estos son los más emocionantes porque aumentan nuestro conocimiento al cuestionar lo que ya sabemos.

Nuestro descubrimiento reciente involucró una serie de experimentos que observaban los átomos que se movían a través del cristal de luz. Descubrimos que los vórtices cuánticos (similares a los remolinos de su bañera) desempeñan un papel en la desaceleración de los átomos. Para comprender este resultado, tuvimos que hablar con investigadores de Illinois que trabajan con cables y hojas superconductores. Nos dijeron que se había observado que los vórtices interrumpían el flujo de electrones en pequeños cables superconductores, pero ese proceso no se comprende completamente, por lo que nuestras mediciones pueden ayudar a comprender mejor estos materiales. Como estudiante graduado, esta fue una buena oportunidad para observar cómo diferentes áreas de la física pueden trabajar juntas y comprender que el descubrimiento rara vez es el resultado de un individuo que trabaja aislado.

En este momento estamos tratando de inventar otras formas en que podemos simular materiales. Por ejemplo, estamos trabajando en agregar desorden a nuestro cristal de luz para entender cómo las impurezas en los materiales afectan la superconductividad. ¡No podemos esperar a descubrir qué nueva ciencia descubriremos a continuación!

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Nota del editor: Esta investigación fue apoyada por la National Science Foundation (NSF), la agencia federal encargada de financiar la investigación básica y la educación en todos los campos de la ciencia y la ingeniería. Ver el archivo detrás de las escenas.


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