Cinquè estat de la matèria: rècord de la durada i observat a bord de l'EEI per primera vegada

Clic per engrandir. Imatge artística de l'experiment CAL a bord de l'EEI. Els àtoms s'han
refredat amb raigs làser. Crèdit: NASA

Aquest és un primer èxit per a l’experiment del CAL (Cold Atom Laboratory-Laboratori d'àtoms freds) a bord de l'EEI. Els investigadors han aconseguit per primera vegada produir a l'espai un cinquè estat de la matèria a una mica menys d'una mil·lèsima de grau Kelvin, d'un condensat de Bose-Einstein. CAL podria obrir la porta a mesures de precisió sense precedents amb làsers atòmics que podrien ser la clau de la nova física en el camp de la gravitació, amb l’expansió de l’Univers o la informació quàntica. 

Empèdocles, i després Aristòtil, van distingir quatre i cinc elements fonamentals que constituïen la realitat: la terra, l’aigua, l’aire, el foc i l’èter. Per als físics moderns, aquestes divisions poden correspondre als estats de la matèria en els primers tres casos, és a dir, sòlid, líquid i gasós. El foc es pot considerar un plasma si la temperatura és prou alta, plasma que es pot veure com un quart estat de la matèria. Pel que fa a l’èter, és la noció de camp i, en primer lloc la de l’espai-temps, que es pot associar amb ell. 

Tanmateix, aquests dies, quan els físics parlen d’un cinquè estat de la matèria, són els condensats de Bose-Einstein (BEC) els que tenen en compte. S’obtenen d’àtoms els nuclis dels quals contenen un nombre parell de protons i neutrons, de manera que en mecànica quàntica es comporten com bosons. Per observar un BEC, cal baixar a temperatures molt baixes per a un gas de partícules que tenen interaccions molt poques o nul·les, fet que és el cas d’un gas diluït i a fortiori amb fotons. És més, estudiant el gas dels fotons que forma la radiació d’un cos negre a partir d’idees que va plantejar l’indi Satyendranath Bose que Albert Einstein va descobrir teòricament, al 1924, el fenomen que avui porta el nom dels dos físics.

El COL. (Cold Atom Laboratory), és un instrument experimental a on el seu llançament cap a l'EEI previst pel juny del 2017, es va efectuar el 21 de maig de 2018.

Aquest instrument crea unes condicions de fred extrem en microgravetat degut a la seva localització a l'EEI, conduint a la formació de condensats de Bose-Einstein d'un grandaria de nivell més fred que els que es creen als laboratoris terrestres. En un laboratori espacial son possibles 20 segons de temps d'interacció i de temperatures de 1 picokelvin. Inicialment la durada de la missió estava fixada en 12 mesos. 

Clic per engrandir. El Laboratori de Àtoms Freds (CAL) consisteix en dos contenidors
estandarditzats incorporats a l'Estació Espacial Internacional. El contenidor més gran
es diu "quad locker", i el més petit es diu "single locker". El quad locker conté
el paquet de física del CAL, o el compartiment on CAL produirà núvols d'àtoms
ultrafreds. Crèdit: NASA/JPL-Caltech/Tyler Winn.

La microgravetat, clau per a l'estudi dels BEC

Una vegada es va pensar que la superfluïdesa de l’heli 4 era una manifestació de la condensació de Bose-Einstein, però les interaccions entre els àtoms d’aquest isòtop d’heli són massa fortes perquè aquest sigui realment el cas, tot i que la idea és parcialment rellevant. No va ser fins al 1995 que el primer condensat de gas real va ser produït per Wolfgang Ketterle, Eric Cornell i Carl Wieman, obrint el camí per a l'estudi dels gasos atòmics diluïts ultra freds en el règim quàntic, cosa que els va valer el Premi Nobel de Física el 2001.

Què és el condensat de Bose-Einstein? © "La Physique Autrement" amb el suport de labex PALM.

Ara, una publicació a Nature anuncia un gran èxit en aquest fascinant camp de recerca que son els BECs. Tal com haviem explicat en diversos dels articles anteriors, un equip d’investigadors treballava des de feia anys en l’experiment CAL (Laboratori de l’atòmic fred) en curs a bord de l'EEI a la que s'hi va unir el 21 de maig del 2018.

Aquests físics ens fan saber que, per tant, van aconseguir per primera vegada produir i observar aquest cinquè estat de la matèria a bord de l'Estació Espacial Internacional (EEI). La disponibilitat de microgravetat fa possible batre diversos registres amb BEC, en particular per assolir temperatures extremadament baixes que no veiem com es podrien obtenir de manera natural al cosmos actualment observable, excepte per una altra civilització tècnicament avançada.

Làsers atòmics per estudiar l’energia fosca

Sobretot, els experiments realitzats amb el BEC que consisteixen inicialment en atrapar i refredar un gas d'atoms amb camps electromagnètics, en particular els rajos làser, requereixen que el gas de les partícules s’expandeixi. Però no massa, en cas contrari, desapareix l’efecte quàntic col·lectiu.

A la Terra, la dilatació és massa ràpida per donar el temps necessari per a certs estudis, però, en una microgravetat permanent com a bord de l'EEI, es poden batre rècords de temps d’existència d’un BEC per als experiments que interessin els físics. Precisament, els investigadors anuncien que han arribat a una durada d’un segon amb un BEC d’àtoms de rubidi com a part de l’experiment CAL, mai vist a la Terra.

El Laboratori d'Àtoms Freds de la NASA a l'Estació Espacial Internacional és
habitualment el punt més fred conegut de l'univers. Però per què els científics estan
produint núvols d'àtoms d'una fracció de grau per sobre del zero absolut?. I per
què necessiten fer-ho a l'espai? Física quàntica, és clar. Així és com el CAL està
ajudant als científics a aprendre més sobre la física que hi ha darrere de coses
com la tecnologia miniaturitzada i la naturalesa fonamental de les partícules que
componen tot el que veiem.  Crèdit: Jet Propulsion Laboratory-Caltech

Hi ha moltes aplicacions possibles amb BEC tan estables i fredes com les que ara són possibles a bord de l'EEI. Permeten provar els principis de la mecànica quàntica en noves condicions. Així, l’ona de matèria col·lectiva, en què les ones de matèria individuals dels àtoms de rubidi es transformen a baixa temperatura, ha de poder assolir una mida que es pugui considerar macroscòpica, és a dir, la d’un pèl, manifestant-se així a la nostra escala, un fenomen quàntic. Això és suficient per sondar la frontera encara poc entesa entre el món quàntic i el món clàssic. 

Els veritables làsers atòmics amb condensats de Bose-Einstein permetrien fer mesures de temps i espai més precises que amb làsers fotònics, així com experiments d’interferències que en tots aquests casos podrien revelar una nova física. Experiments d’aquest tipus s'han proposat per provar el principi d’equivalència o per descobrir la naturalesa de l’energia fosca. Les sensibilitats previstes també farien atractiva la interferometria BEC per a la navegació per satèl·lit, l'exploració i l'observació de la Terra.

Ho he vist aquí