El cero absoluto, 273,15 grados bajo cero, es la temperatura más baja posible en el universo. En ese límite teórico, las partículas tendrían la mínima energía permitida por las leyes de la física. Ningún experimento puede alcanzarlo, pero los físicos llevan décadas acercándose cada vez más. Y uno de los pasos más recientes se dio a unos 400 kilómetros de altura, a bordo de la estación espacial china Tiangong.
Según un estudio publicado en la revista Science por investigadores del Instituto de Óptica y Mecánica Fina de Shanghái, de la Academia China de Ciencias, y de la Universidad de Pekín, el equipo logró enfriar una nube de unos 20.000 átomos de rubidio hasta una temperatura cinética efectiva de 9,7 picokelvin. Un picokelvin es una billonésima de grado. Es una de las temperaturas más bajas jamás medidas.
Un estado de la materia muy especial
Los átomos fueron preparados como un condensado de Bose-Einstein, un estado de la materia que solo aparece a temperaturas extremadamente bajas. En ese estado, miles de átomos pierden su comportamiento individual y pasan a comportarse como si fueran una sola entidad cuántica. Fue predicho en la década de 1920 por Satyendra Nath Bose y Albert Einstein, y obtenido por primera vez en un laboratorio en 1995, un logro que mereció el Premio Nobel de Física de 2001.
Para enfriar los átomos, los investigadores los atraparon con láseres y luego aplicaron un proceso llamado enfriamiento por evaporación, que consiste en dejar escapar a los átomos con más energía, de modo que los que quedan están cada vez más fríos. Después trasladaron la nube a otra configuración óptica, debilitaron gradualmente la trampa y, al final, dejaron que los átomos se expandieran libremente.
Por qué hacerlo en el espacio
En la Tierra, la gravedad es un obstáculo para este tipo de experimentos. Los átomos ultrafríos caen apenas se los libera, y para sostenerlos hacen falta trampas más fuertes, que a su vez les transfieren energía. En microgravedad, en cambio, la trampa puede ser mucho más débil, y los átomos pueden flotar y expandirse libremente durante más tiempo.
En el experimento chino, los investigadores pudieron observar la expansión de la nube durante siete segundos. La temperatura no se mide con un termómetro: se calcula a partir de la velocidad con que los átomos se separan entre sí. Cuanto más lenta es la expansión, más fría está la nube.
El equipo comenzó los estudios de viabilidad en 2011, y el sistema llegó a la estación en 2022, a bordo del módulo Mengtian. Para llevarlo al espacio tuvieron que reducirlo de forma drástica: en la Tierra, la instalación ocupaba unos 20 metros cúbicos y pesaba alrededor de 10 toneladas, mientras que la versión orbital ocupa unos 0,7 metros cúbicos y pesa unos 500 kilos.
Una carrera por el frío
El resultado supera a otro experimento destacado. En 2021, un equipo germano-francés, liderado por Ernst Rasel, de la Universidad Leibniz de Hannover, alcanzó 38 picokelvin en una torre de caída libre de 110 metros en Bremen, Alemania, donde los átomos permanecen en caída libre durante algunos segundos. El valor chino es aproximadamente cuatro veces menor. De todos modos, conviene tomar la comparación con cuidado: las técnicas y las magnitudes medidas no son exactamente iguales.
La NASA también tiene su propio laboratorio de átomos fríos en la Estación Espacial Internacional, el Cold Atom Lab, que en 2018 produjo condensados de Bose-Einstein en órbita.
Para qué sirve
Más allá del récord, los gases ultrafríos son herramientas valiosas para la física. Permiten estudiar cómo interactúan las partículas a escala cuántica y pueden servir para construir interferómetros atómicos, instrumentos capaces de medir con enorme precisión la gravedad, la aceleración y la rotación. En el futuro, podrían ayudar a poner a prueba teorías fundamentales o incluso a buscar formas hipotéticas de materia oscura. Por ahora, son posibilidades, no resultados demostrados.
