Se trata de un extraordinario fenómeno cuántico, muy curioso y contrario a la intuición. Está relacionado con el comportamiento de miles de objetos minúsculos y con el frío extremo, al que los científicos denominan frío absoluto. Pero, ¿qué es exactamente la 'superquímica en el frío absoluto', dónde y por qué sucede?
Xavier Giménez Font
Profesor de Química Ambiental, investigador y divulgador científico
Si viviéramos en las condiciones de la superficie del Sol, a casi 6000ºC, sólo conoceríamos el estado gaseoso. En cambio, las condiciones ambientales en la Tierra nos permiten conocer también los sólidos y los líquidos. Desde los sólidos más blandos, como el talco, a los más duros, como el diamante. De los líquidos más conocidos, como el agua, hasta los más viscosos, como el vidrio, pasando por los líquidos que no mojan, como los líquidos iónicos. En el caso del agua, las condiciones planetarias nos permiten conocer, además, cómo ésta cambia de hielo a líquido, y también de líquido a vapor. Un hecho poco común y absolutamente clave para entender el mundo en general, y el clima en particular.
A medida que bajamos la temperatura, las propiedades de estos materiales cambian. Por ejemplo, el hierro se vuelve mucho más quebradizo a las temperaturas del otoño polar, –40ºC. A temperaturas aún más bajas, –80ºC, el dióxido de carbono se transforma directamente de gas a sólido, el hielo seco tan familiar en los espectáculos teatrales. Y por debajo de –150ºC los gases del aire se licúan; es ésta la forma habitual de obtener nitrógeno y oxígeno puros, sobre todo para usos industriales y sanitarios.
La superquímica cuántica ha sido observada por primera vez por los científicos. Crédito: Paolo Carnassale/Getty Images
Estas temperaturas tan bajas no se dan de forma natural en nuestro planeta, aunque sí en el espacio. En éste, incluso en ausencia de materia, la temperatura más baja posible viene determinada por el Big Bang, la gran explosión que originó el Universo que conocemos. El gran estallido dejó un resto de radiación de microondas, que llena todo el espacio y le confiere una temperatura de –270,415ºC.
Acercarnos más al cero absoluto, –273,15ºC, requiere entonces del laboratorio, en cámaras de vacío ultraelevado, y el uso de sofisticadas técnicas de enfriamiento. Recordemos aquí que el cero absoluto se describe habitualmente en la escala de temperaturas Kelvin, representada mediante la letra K. En esta escala, –273,15ºC son 0 K, mientras que 0ºC corresponden a 273,15 K.
¿Qué significa, el cero absoluto? Se corresponde a la situación en la que todo movimiento cesa. Nos referimos al movimiento caótico que se da en toda forma de materia. En los gases, las moléculas individuales se desplazan a casi dos mil kilómetros por hora, aunque ese gas lo tengamos dentro de un pequeño recipiente —ese movimiento molecular interno es el origen de la presión que ejercen los gases contra las paredes del recipiente.
Cero absoluto, cuando todo movimiento se detiene
En los líquidos, la agitación es menor, al estar las moléculas en contacto entre sí, aunque se desplazan fregando las unas con las otras, más difícilmente cuanto más viscoso es el líquido. En los sólidos, los átomos o moléculas que los constituyen vibran alrededor de una posición fijada, sin desplazarse a mayores distancias. A medida que baja la temperatura, entonces, las substancias pasan de gases a líquidos, y de líquidos a sólidos, y el movimiento disminuye. Una vez ya son sólidos, una ulterior bajada de la temperatura hace que las vibraciones de las moléculas vayan disminuyendo su amplitud.
Todo indica, entonces, que en el cero absoluto todo movimiento se detiene. Hay una salvedad, no obstante. Cuanto menor es la temperatura, más se manifiesta la naturaleza cuántica de la materia, y en concreto más se manifiesta la naturaleza ondulatoria de esta materia. Como imaginará el lector, no es éste un tema menor. De hecho, recientes experimentos están demostrando que el reino del super–frio es riquísimo en manifestaciones, algunas insospechadas, de esta naturaleza cuántica de la materia. Veamos algunos casos relevantes.
A la temperatura de unos pocos Kelvin, un pequeño grupo de moléculas se desplazan lentamente, pero de forma independiente, chocando entre ellas al azar. Figura extraída de https://en.wikipedia.org/wiki/Bose–Einstein_condensate.
En 1911 se descubrió la superconductividad, la capacidad de conducir la electricidad sin resistencia, y en 1938 se descubrió la superfluidez en el Helio–4, la capacidad de fluir sin resistencia, todo ello a unos pocos grados Kelvin. En 1972 se amplió la superfluidez al Helio–3, gracias a que la capacidad de enfriamiento permitió llegar al régimen de los milikelvin, es decir, unas pocas milésimas K.
Finalmente, en 1995 se pudo sintetizar por primera vez el denominado condensado de Bose–Einstein, gas muy diluido —cien mil veces menos denso que un gas normal— en los que unos pocos cientos, o miles, de moléculas poseen, todas, exactamente la misma energía. La preparación de estos condensados fue posible gracias a la exploración de los nanokelvin, es decir, unas pocas milmillonésimas de grado Kelvin, mediante complejas técnicas de enfriamiento por láser y evaporación en trampas magnéticas.
A la temperatura de unos centenares de nanoKelvin, el pequeño grupo de moléculas se desplazan todas sincrónicamente, pudiéndose describir mediante una única onda de materia. Figura extraída de https://en.wikipedia.org/wiki/Bose–Einstein_condensate.
Conseguir que miles de átomos se comporten como uno sólo
Todos los fenómenos mencionados anteriormente se deben a la naturaleza cuántica de la materia, y en particular a que la temperatura tan baja permite asociar a los átomos y moléculas ondas de materia cuya longitud es mucho más grande de lo habitual. Estas ondas permiten, para ciertos tipos de partículas, átomos o moléculas, que un número muy elevado de estas partículas se comporten al unísono, como una sola entidad.
Conseguir que miles de átomos se comporten como uno sólo implica que si estos átomos se transforman, en una reacción química, lo hacen también todos a la vez. Este sorprendente fenómeno cuántico se denomina superquímica, e implica que la velocidad a la que avanza la reacción aumenta de forma inusitada. Muy curioso y contrario a la intuición, puesto que al enfriar aceleramos la transformación química.
La superquímica se había predicho hace ya varias décadas, pero su demostración en el laboratorio ha tenido que esperar hasta 2023. En Julio de 2023 una publicación en la prestigiosa revista Nature Physics ha proporcionado la primera evidencia incuestionable de su existencia.
Se trata de un avance muy relevante, aunque de momento se circunscribe al ámbito de la investigación básica. Permitirá avanzar, en un futuro, en la preparación de láseres atómicos, en el desarrollo de técnicas de medición mucho más precisas, y en la disponibilidad de nuevos sistemas para ordenadores cuánticos. Pero falta mucho para ello.
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Referencias:
Many-body chemical reactions in a quantum degenerate gas. Nature Physics, 2023
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Fuente:
