La física de bajas temperaturas revela la

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CIENCIA Y TECNOLOGÍA
BOLETÍN FUNDACIÓN BBVA N.º 16 - I/2009
FÍSICA – INSTITUTO DE CIENCIAS DE MATERIALES NICOLÁS CABRERA
La física de bajas temperaturas revela
la maquinaria cuántica de la materia
ellos. Se trata de las dos únicas sustancias que permanecen líquidas en el cero
absoluto de temperaturas. Ello se debe a
que el principio de indeterminación de la
mecánica cuántica exige que los átomos
tengan energía cinética en el cero absoluto, la cual es tanto mayor cuanto más
reducido es el espacio que ocupan. El
helio, cuyos átomos se atraen muy débilmente, trata de disminuirla manteniendo
los átomos muy separados entre sí, de
forma que hay que aplicar altas presiones
para solidificarlo. Así, cuando en el laboratorio obtenemos uno o dos litros de
helio líquido, estamos observando una de
las manifestaciones más espectaculares
de mecánica cuántica a escala macroscópica. La transición de líquido a sólido en
el helio fue tratada por el profesor emérito
de la UAM, Arkadi P. Levanyuk.
Henri Godfrin, director de investigación en el Institut Néel (Grenoble).
L
a licuación del helio por Heike
Kammerlingh Onnes en 1908, en
Leiden, es uno de los hitos más
importantes de la ciencia, ya que abrió una
nueva era en la que nuestra concepción
de la Naturaleza ha cambiado de forma
radical. El acercamiento al cero absoluto
de temperaturas ha permitido a los científicos observar en directo la maquinaria
cuántica que gobierna los fenómenos
naturales. Un sinfín de nuevas ideas, concretadas en teorías y resultados experimentales sorprendentes, se ha sucedido a
lo largo del siglo xx, y continúa surgiendo,
con gran vigor, en la actualidad, como
revelan los numerosos premios Nobel
concedidos por aportaciones a la física
de bajas temperaturas. La XV Escuela
Internacional del Instituto de Ciencias de
Materiales Nicolás Cabrera (Universidad
Autónoma de Madrid), organizada en
colaboración con la Fundación BBVA, se
ha celebrado bajo el lema «One hundred
years of liquid helium: new physics at the
edge of absolute zero». Sus setenta participantes han analizado el presente y los
retos del futuro de las investigaciones
relacionadas con las bajas temperaturas.
La conferencia inaugural corrió a cargo
del profesor Alexander V. Andreev, director del Instituto Kapitza de Moscú, cuya
contribución teórica a la física del transporte de carga eléctrica en los superconductores ha permitido entender algunos
fenómenos importantes, especialmente
en el caso de uniones de materiales distintos. Sus estudios han encontrado aplicación a la física de otros sistemas como
es el caso de las fases superfluidas del
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He, uno de los dos isótopos estables del
helio.
Dichos isótopos comparten la pequeñez
de sus masas atómicas, y una estructura
electrónica cerrada; y se diferencian en
que el núcleo del átomo del 4He posee
dos protones y dos neutrones, mientras
que el núcleo del de 3He tiene dos protones y un neutrón. Esto da lugar a diferencias radicales en las propiedades físicas
de los sólidos y líquidos formados por
Heike Kammerlingh Onnes, que descubrió muchos fenómenos nuevos e inesperados, no se percató del carácter tan
singular que se escondía tras un cambio
de apariencia que se produce en el helio
líquido cuando se baja la temperatura y
se alcanzan 2,17 K (K es el símbolo del
Kelvin, la unidad de temperaturas abso-
Blas Cabrera, profesor del Departamento de Física de
la Universidad de Stanford (California).
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lutas). Tuvieron que pasar treinta años
para que los físicos desvelasen uno de
sus aspectos más peculiares: el 8 de
enero de 1938 aparecieron dos artículos
consecutivos en la revista Nature, firmados por P. Kapitza (Moscú) y por J. F.
Allen y D. Misener (Cambridge), en los
que a través de experimentos muy cuidadosos, se mostraba que el helio perdía
su viscosidad cuando la temperatura se
hacía inferior a 2,17 K. El físico Kapitza,
que fue laureado con el premio Nobel en
1978 por sus descubrimientos relacionados con el helio líquido, denominó superfluido al nuevo estado.
Evidencias de la materia oscura
La física del helio líquido dio lugar a varias
conferencias. La del profesor Sébastien
Balibar, director de investigación en el
Centre National de la Recherche Scientifique (París), abordó aspectos históricos
importantes de los principales descubrimientos. Dado su carácter controvertido
se produjo un animado debate en el que
participó muy activamente el profesor
Andreev.
Blas Cabrera, profesor del Departamento
de Física de la Universidad de Stanford,
participó por primera vez en la Escuela
que lleva el nombre de su padre. Presentó
los progresos experimentales con los que,
utilizando detectores enfriados a temperaturas próximas al cero absoluto, confía en
encontrar evidencias de la materia oscura
que, según se piensa fundadamente,
forma una parte importante del universo,
aunque aún no ha podido ser observada
directamente.
Hasta bien avanzada la segunda mitad
del siglo pasado, el 4He líquido se
destacaba como sujeto principal de
las bajas temperaturas, aunque el 3He
líquido también interesaba, especialmente a los físicos teóricos de la materia condensada. Cabe destacar la teoría
del líquido de Fermi desarrollada por el
gran físico soviético L. D. Landau, que
explica muchos aspectos del comportamiento del 3He líquido. Tal como puso
de manifiesto el profesor H. Godfrin,
director de investigación en el Institut
Néel (Grenoble), la teoría de Landau
mantiene una vigencia renovada por
su capacidad para explicar resultados
recientes en el 3He líquido y en algunos
materiales conductores.
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El universo en un frasco
Una de las grandes hazañas en el gran viaje hacia
el cero absoluto fue descubrir que el 3He, por un
camino análogo al que
lleva a los electrones de
algunos materiales a formar parejas para producir
el estado superconductor,
se hace superfluido para
temperaturas inferiores a
tres milésimas de Kelvin.
La física de la superfluidez
del 3He se rige por ecuaciones que se asemejan formalmente a las de diversos
modelos cosmológicos. Las
soluciones de las ecuaciones abren el campo para
discutir problemas de la
evolución de nuestro universo, en conexión con
fenómenos observados en El físico Heike Kamerlingh Onnes y su colaborador G. J. Flim en el Laboratorio
las fases superfluidas del de Bajas Temperaturas, en Leiden, donde se licuó el helio por primera vez.
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He líquido. Se ha llegado
a afirmar que algunos de estos experimensólido perder la viscosidad? Esta pretos son de «cosmología en un frasco». Los
gunta fue tratada por Balibar y debaprofesores G. Volovik y G. Pickett trataron
tida, especialmente, por los asistentes
algunos de los aspectos teóricos y experimás jóvenes. Curiosamente, la física
mentales de esta apasionante analogía.
del helio sólido presenta aspectos,
como la transición rugosa, que fueUn tema de gran actualidad es la posiron predichos por el profesor Nicolás
ble superfluidez en helio sólido, que
Cabrera en 1951. Ello ha supuesto que
hasta hace pocos años se limitaba a
en esta edición de la escuela, donde
propuestas teóricas. No es de extraeste tema fue abordado, la figura de
ñar, ya que el término sólido superfluido
este gran científico, fallecido en 1989,
parece contradictorio: ¿cómo puede un
haya brillado de manera especial.
Alexander V. Andreev (en primer plano), director del Kapitza Institute for Physical Problems (Moscú), conversa con
Jozef Devreese, profesor emérito en la Universidad de Amberes (Bélgica).
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