Articulo Cero Absoluto

Universidad Nacional de Colombia
Aproximación al cero absoluto manipulando fenómenos electromagnéticos
APROXIMACIÓN AL CERO
ABSOLUTO MANIPULANDO
FÉNOMENOS
ELECTROMAGNÉTICOS
Universidad Nacional de Colombia Sede Bogotá
Facultad de Ingeniería
Departamento de Ingeniería Química y Ambiental
Manuel Alejandro Montero Suarez
Cód. 244655
Mayo de 2010
RESUMEN
Los científicos en especial los físicos tienen el reto desde hace ya muchos años de saber cómo son las
temperaturas cercanas al cero absoluto (0 k), pero la carencia de tecnología solamente ha permitido llegar
a temperaturas no muy bajas, a medida que pasaban los años, las tecnologías mejoraban y cada vez era
más factible llegar a una temperatura muy fría, en la segunda Conferencia Internacional de Pesas y
Medidas (CIPM-19481) la temperatura más baja conocida era de 90.03 k, designada como el punto de
ebullición del oxigeno, en la tercera CIPM-1968 la temperatura más baja conocida era de 13.66 k otorgada
a el punto triple del hidrogeno, para la cuarta CIPM-1989, el punto más bajo destacado era de 3 a 5 k
asignado para el punto de ebullición del helio, desde ese momento se han registrado varios “records” de
temperaturas ultra frías, pero la más importante que revoluciono el mundo del cero absoluto, fue la
temperatura alcanzada por el profesor Wolfgang Ketterle2 con un valor de 450 picokelvins, valor obtenido
por medio de métodos electromagnéticos y con el concepto básico de los condensados de Bose-Einstein,
de los cuales hablaremos en este articulo.
Palabras clave: Picokelvins, kelvin, CIPM, temperaturas ultra frías.
INTRODUCCION:
En primer lugar, les presentare el sentido científico
de la temperatura: es la medida del contenido
energético de la materia, cuando el aire está
caliente, los átomos se mueven a grandes
velocidades, y por consiguiente tendrá alta energía
cinética; pero si el aire esta frio la energía cinética
será baja, entre menor energía, menor velocidad y
menor movimiento, cuando estas partículas no
tengan ningún movimiento, cuando su energía
interna sea cero, se dice que se llego al cero
absoluto, lo cual es imposible hacer, ya que las
partículas nunca detendrán su movimiento, pero si
se puede lograr que su movimiento se acerque a
cero, y la forma de determinarlo es con la
temperatura.
Existen
varias
escalas
de
temperatura tanto relativas como absolutas, pero
1-CIPM-Conferencia Internacional de Pesas y Medidas
2-Wolfgang Ketterle, Porfesor De Fisica del MIT
3-mseg, milisegundos
4-Punto de transición, es una temperatura de 2 microkelvin utilizada para la simbología de la imagen en el experimento.
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Aproximación al cero absoluto manipulando fenómenos electromagnéticos
la escala utilizada en este trabajo arduo del
acercamiento al cero absoluto es el Kelvin, ya que
su escala es absoluta por lo tanto no tiene valores
negativos. El cero absoluto equivale a -273.15 °C, y
como se ve, esta última escala es relativa, y debido
a sus cifras significativas, difícilmente se puede
establecer un cero absoluto exacto, para eso se
utiliza la escala Kelvin.
El trabajo realizado por el Profesor Ketterle, que
consistió en realizar el primer condensado de
Bose-Einstein en 1995 y llegar a una temperatura
de 450 pícokelvins, se le galardono con el premio
Nobel en física del 2001. El método utilizado por el
profesor Ketterle fue el enfriamiento laser
utilizando un concepto básico energético de los
fotones
provenientes
del
espectro
electromagnético, y también utilizo la refrigeración
por evaporación basándose en el funcionamiento
de una trampa magnética; aunque estas dos frases
indican lo contrario a llegar a temperaturas frías, el
concepto es bastante profundo para lograr revertir
el efecto calórico de estos dos procesos, a
continuación se explicara los procesos para
finalmente entender que es un condensado de
Bose-Einstein.
METODOLOGIAS:
Para lograr las temperaturas ultra frías, como lo
hizo el profesor Ketterle, es necesario realizar dos
procesos para lograr una temperatura muy baja
estable y duradera, por el orden de los picokelvins.
Como mencione anteriormente, los dos procesos
utilizados son: el enfriamiento laser, y la
refrigeración por evaporación.
Para el primer procedimiento, es de entender, que
se utiliza una fuente de laser para enfriar los
átomos, pero sabemos que un laser es una
estimulación de algunas partículas para que
produzcan un haz de luz, pero en este haz de luz
(laser) todas los fotones son homogéneos, es decir,
si se hace inducir un haz de un conjunto de
partículas, todos sus fotones tendrán el mismo
color y longitud de onda, también se puede ver que
al excitar estas partículas, solamente producirá un
longitud de onda especifica al antojo del científico.
Entendemos claramente que si inducimos un rayo
laser este calentara la superficie de contacto, pero
el fundamento teórico de este procedimiento, es
hacer que los fotones reboten en los átomos
quitándoles energía. Para entender mejor el
proceso de enfriamiento laser, podemos poner el
ejemplo más común, pensamos que los fotones son
bolas de ping pong, y los átomos son bolos
pesados, la idea es detener los bolos que llevan
cierta energía cinética, así que hay que tirar una
gran cantidad de bolas de ping pong para detener
el bolo y que los ping pong reboten con mayor
energía, la cual se la quitaron al bolo y lo
detuvieron; el laser que se debe utilizar para esto,
es único para cada átomo con longitud de onda
especifica y color especifico.
Cuando los fotones rebotan en el átomo el electrón
en el átomo que absorbe el fotón salta a un nivel
superior de energía y rápidamente salta de regreso
a su nivel de energía, expulsando de nuevo el fotón.
Como decía anteriormente cada átomo responde a
un color correcto de luz. Una gran parte de la
dificultad de hacer el enfriamiento laser es tener la
suficiente cantidad de luz del color exacto. Para
esto se necesitan lasers con posibilidad de ajustar
el color con gran precisión para obtener el color
exacto que necesita el átomo.
Si el laser no es el correcto, simplemente los
fotones no rebotaran con el átomo, solo pasaran
como si nada, pero el mayor problema de ese
método es hacer que todos los atomos queden casi
quietas, pero abran unas que tengan más velocidad
que las otras, por consiguiente unas tendrán más
energía cinética que las demás, y si es tan dispareja
las velocidades de los átomos, un solo rayo laser
detendrá a unos cuantos átomos, pero las demás
no las podrá detener debido a su cantidad de
energía que tienen, para solucionar este problema,
lo único que se debe hacer es proyectar el laser en
todas las direcciones, así sea de una sola longitud
de onda, los átomos se detendrán en algún
momento ya que los fotones están rebotando en
todas las direcciones quitando en todo instante
energía de los átomos, y los fotones saldrán del
sistema ya que esto se realiza en una caja de cristal
apropiada para que escapen los fotones; este
proceso toma su tiempo para que una gran
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2-Wolfgang Ketterle, Porfesor De Fisica del MIT
3-mseg, milisegundos
4-Punto de transición, es una temperatura de 2 microkelvin utilizada para la simbología de la imagen en el experimento.
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cantidad de átomos se paralicen, los físicos llaman
este truco las “melazas ópticas”.
Ahora hay que ver que si se obtiene la melaza
óptica, algunos átomos tendrán un poco cantidad
de energía, suficiente para moverse y chocar con
las paredes de la caja y volver a obtener energía, y
rebotar con los átomos estáticos, y no se estaría
haciendo nada, para eso las emisiones laser se
hacen de tal forma de que en la caja se forme una
cruz de laser, y finalmente los átomos al entrar a
esta “trampa laser” tienden a dirigirse al centro de
la cruz donde la intensidad de los rayos laser es
alta, y ocurren tantos choques con los fotones
hasta que todos lo átomos se paralizan casi
totalmente. Para que los átomos tiendan a
desviarse al centro de la trampa laser, se colocan
pequeños solenoides (bobinas) alrededor de la
celda o lugar donde queramos desviar los átomos,
y hace conducir corriente eléctrica en ellas en
direcciones opuestas entre solenoides. Esto genera
un campo magnético que desplaza ligeramente el
color de la luz que el átomo quiere absorber y así
poder quedar atrapado, el campo magnético es
máximo en los extremos de la celda pero mínimo
en el centro de ella.
Los átomos atrapados en el centro de la cruz de la
trampa laser se verán totalmente brillantes, ya que
están estáticos y los fotones están rebotando en
ellos. Todo esto que escribí es lo que se conoce
como el enfriamiento laser, pero los átomos
todavía están muy calientes ya que la temperatura
máxima alcanzada con este método es de
aproximadamente de 0.00001 k, entonces toca
implementar un nuevo método, conocido como la
refrigeración por evaporación. Se utiliza un
segundo método, ya que abra una pequeña
cantidad de fotones que choquen con los átomos,
permitiendo que tengan un poco de movimiento,
esto es lo que limita a la temperatura a la cual se
quiere llegar (cero absoluto- cero movimiento).
Ahora el proceso de refrigeración por evaporación
es mucho más factible para llegar a temperaturas
ultra frías, pero para realizarlo ya no se pueden
usar fotones, porque como se vio en el
enfriamiento laser, es efectivo pero no mucho para
llegar a las temperaturas requeridas, así que en vez
de trampas laser se utilizan trampas magnéticas,
que generan un campo magnético muy fuerte para
que tengan contacto directo con los átomos, estos
tienen un pequeño campo magnético gracias al
spin del electrón. Es correcto afirmar que el campo
magnético utilizado en el enfriamiento laser para
detener los átomos en la celda es débil, mientras
tanto el campo magnético de la trampa magnética
es lo suficientemente fuerte para que tenga
contacto directo con los átomos como ya se
menciono anteriormente. Ahora simplemente se
desactiva la trampa laser y se activa la trampa
magnética, entonces los átomos estarán casi
paralizados pero con cierto movimiento relativo en
esta trampa.
Ya que introduje el concepto de la trampa
magnética que se utiliza, hablare del método de
refrigeración por evaporación más seriamente.
Este método es lo mismo que hablar de una taza de
café muy caliente, que con un tiempo esta se enfría,
debido a que las partículas mas energéticas
escaparan de la taza de café, llevándose consigo
más energía de la que se tienen que llevar,
entonces las partículas del fondo de la taza
perderán energía, así que simplemente se enfrían
cada vez más al trascurrir el tiempo. Ahora
supongamos que la tasa es la trampa magnética en
forma de U, y los átomos a enfriar son las
partículas del café; solamente dejaremos escapar
de la trampa magnética aquellos átomos con mayor
contenido energético, y estos se llevaran parte de
la energía del sistema, hasta que en un momento se
enfriara, pero este proceso es muy lento, más que
el enfriamiento laser, así que hay que idearse una
forma de hacerlo más rápido y más efectivo, y la
forma de hacerlo es disminuyendo las paredes de
la trampa magnética, pero hay que hacerlo
despacio, porque si se hace rápido, escaparan mas
partículas de las que escaparían si realizamos el
proceso lento de “cuasi -equilibrio” como lo
llamarían los estudiosos de la termodinámica. Esto
nos garantiza de que la mayor cantidad de atamos
dentro de la trampa magnética se enfríen en su
totalidad hasta alcanzar temperaturas muy bajas, y
que estén posicionados en el fondo de la trampa
magnética en forma de U, cuando ya su
movimiento sea casi nulo, se observara una masa
muy condensada, como una gota de agua que está
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rodeada de partículas gaseosas y es cuando se
logra llegar a los famosos condensados de BoseEinstein. Entonces el nuevo problema es observar
cual es la forma del condensado de Bose-Einstein,
ya que si se observa con un microscopio, habrá de
aplicarle una fuente de luz, pero los fotones
calentaran nuevamente a estos atamos haciendo
que se eleve la temperatura y eso no es lo que
queríamos al finalizar el trabajo, otra razón es que
este condensado es muy pequeño; pero entonces la
forma de ver la forma del condensado es apagar la
trampa y después de un tiempo tomar una
fotografía rápidamente de la nube formada por la
absorción del condensado de Bose-Einstein. Los
resultados obtenidos fueron los siguientes
expresados en la siguiente imagen:
La grafica muestra la condensación de BoseEinstein por imágenes de absorción. Se observa la
absorción frente a dos dimensiones especiales. La
fila superior muestra las sombras del condensado.
En la fila inferior se representa en un grafico
tridimensional donde se ve la negrura del
condensado con altura. El pico fuerte es el
condensado de Bose-Einstein, que se caracteriza
por su lenta expansión observada después de 6
mseg3. En la imagen de la izquierda se muestra una
gran nube enfriada hasta justo por encima del
punto de transición4. En el medio se observa que
poco después aparece el condensado, y en la
derecha después de la refrigeración por
evaporación se ha dejado un condensado casi puro.
Esta imagen es tomada del artículo escrito por el
profesor Wolfgang Ketterle en el 2003, una
publicación de SCIENTIFIC AMERICAN.COM.
CONCLUSIONES:
Claramente se observa en este trabajo escrito que
la finalidad de obtener temperaturas ultra frías, así
sea con métodos electromagnéticos presentados
en este articulo, u otros métodos, es utilizar estas
temperaturas para producir los condensados de
Bose-Einstein, pero este descubrimiento todavía es
muy reciente y sabemos muy poco acerca de el, así
que todavía no conocemos una aplicación real para
los condensados, pero si los físicos siguen
trabajando en este tema, las aplicaciones futuras
serán grandísimas en algunas áreas en especial en
la ingeniería. El problema de la escasa aplicación
actual, es que estos condensados son muy frágiles,
los físicos producen una pequeña cantidad de ellos
y además se hacen a partir de pocos elementos,
pero en el futuro, estos condensados se realizaran
en masa. Si se utilizan estos condensados
industrialmente y comercialmente tendrán
grandes ventajas, ya que estos parecen mucho a los
laser, porque todos los átomos del condensado son
iguales, no hay ninguna diferencia en su estado
individual, esto quiere decir que ya tenemos
mucho mejor control sobre los átomos, sabemos
donde están y que tan rápidos se están moviendo
(velocidad casi cero), estaríamos desafiando al
principio de incertidumbre pero no es necesario
hablar de él, algunas aplicaciones podrían ser la
fabricaciones de instrumentos muy sensibles, o la
realización de estructuras muy pequeñas como
chips de computador más eficientes, es de esperar
cuales serán las aplicaciones de estos condensados,
porque por ahora el impacto del descubrimiento es
grande, pero esperaremos un poco para saber
finalmente
para
que
podemos
utilizar
potencialmente los condensados de Bose-Einstein.
REFERENCIAS:
http://cua.mit.edu/ketterle_group/Research_topic
s/Popular_papers.htm
1-CIPM-Conferencia Internacional de Pesas y Medidas
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http://cua.mit.edu/ketterle_group/Projects_2004/
Pubs_04/kett04%20Scientific%20American%20L
ow%20temperature%202004.pdf
http://es.wikipedia.org/wiki/L%C3%A1ser
http://wwwistp.gsfc.nasa.gov/stargaze/Msun5wav.htm
http://bibliotecadigital.ilce.edu.mx/sites/ciencia/v
olumen2/ciencia3/107/htm/sec_15.htm
http://www.unicrom.com/Tel_espectroelectromag
netico.asp
http://www.espectrometria.com/espectro_electro
magntico
http://dialnet.unirioja.es/servlet/articulo?codigo=
876000
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