La NASA publica los últimos resultados del Cold Atom Lab (CAL), el laboratorio de física cuántica a bordo de la Estación Espacial Internacional que realiza experimentos de la mecánica cuántica imposibles en la Tierra
Los condensados de Bose-Einstein son uno de los estados más fascinantes de la materia en el universo: cuando se enfrían átomos de gases nobles o alcalinos hasta temperaturas de nanokelvins (milmillonésimas de grados kelvin, es decir, cerca del cero absoluto, a -273ºC), los átomos individuales «pierden» su identidad cuántica individual y se funden en un único estado cuántico colectivo, comportándose como una sola onda en lugar de como partículas individuales. Ese estado de la materia fue predicho teóricamente por Bose y Einstein en los años 1920 y no pudo producirse experimentalmente hasta 1995, lo que valió el Premio Nobel de Física de 2001 a los investigadores que lo lograron.
Desde entonces, los condensados de Bose-Einstein se han convertido en una herramienta fundamental de la física cuántica experimental, usada para estudiar superfluidos, simular sistemas de materia condensada en condiciones controladas y probar predicciones de la mecánica cuántica con una precisión sin precedentes. El problema es que en la Tierra, la gravedad limita cuánto tiempo puede mantenerse libre un condensado: los átomos caen bajo su propio peso, limitando los experimentos a fracciones de segundo antes de que la nube de átomos caiga al fondo del recipiente.
La microgravedad como habilitadora de física imposible
En la Estación Espacial Internacional, en microgravedad (las condiciones de caída libre que la ISS experimenta continuamente en su órbita), los condensados de Bose-Einstein pueden mantenerse libres durante segundos o incluso minutos, en lugar de milisegundos. Esa diferencia temporal es suficiente para explorar regímenes completamente nuevos de la mecánica cuántica: expansiones de la nube cuántica más lentas y más largas que revelan su estructura interna, interacciones entre condensados de diferentes especies atómicas que en la Tierra serían imposibles de observar antes de que la gravedad interrumpa el experimento, y precisiones de medición en sensores cuánticos (como acelerómetros y giroscopios de átomos fríos) miles de veces superiores a las de sus equivalentes terrestres.
El CAL actualizado, con su nuevo módulo de ciencia que permite experimentos más complejos y combinaciones de especies atómicas que la versión original no podía gestionar, está produciendo resultados en todos esos frentes. Los experimentos más recientes incluyen la primera observación en microgravedad de ciertos tipos de ondas en condensados de Bose-Einstein que los teóricos habían predicho pero que nunca habían podido estudiarse experimentalmente por la brevedad de los condensados terrestres.
Las aplicaciones: sensores cuánticos para la ciencia de la Tierra
Más allá de la física fundamental, el CAL tiene motivaciones aplicadas concretas. Los sensores cuánticos basados en átomos fríos, que miden campos gravitacionales, aceleraciones y rotaciones con precisión cuántica, son candidatos para la próxima generación de instrumentos geodésicos para medir la distribución de masa de la Tierra y sus cambios (como el deshielo glaciar o el movimiento de aguas subterráneas) con resolución y precisión sin precedentes.
Para alcanzar esa precisión, los sensores necesitan tiempos de interrogación (el tiempo durante el que los átomos están en caída libre sin perturbaciones) más largos de lo que la Tierra permite. El CAL está desarrollando esa tecnología en el entorno de microgravedad de la ISS, con vistas a su eventual incorporación en satélites geodésicos dedicados que sucedan a las misiones GRACE y GRACE-FO de la NASA y la DLR.
REFERENCIA
