La NASA pone en marcha un proyecto para crear “hielo cuántico” en la estación espacial

El frío más extremo jamás conocido en el Universo viaja en 2018 al espacio en un laboratorio del tamaño de una nevera doméstica portátil. El objetivo es lograr el quinto estado en el que los científicos pueden observar la materia, denominado los condensados de Bose-Einstein (BEC), para someterlo a pruebas más estables con las cuales la NASA espera encontrar respuestas a muchos fenómenos cuánticos, imposibles de ver en las condiciones normales de gravedad en la Tierra.

Además de los estados sólido, líquido y gaseoso, que los estudiantes de todo el mundo aprenden en las escuelas durante las clases de Ciencias, existen otros dos estados en los que se manifiesta la materia. Ellos son el plasma y el BEC, este último llamado también “cubo de hielo cuántico”.

Nueva raza de átomos

El BEC fue predicho en 1925 por el físico Albert Einstein y su colega Satvendra Nath Bose. El genio germano-estadounidense y la científica de la India, nunca lograron comprobar su teoría sobre el BEC, un estado derivado del gas en el que los átomos pierden su energía y terminan pegándose para dar origen a una nueva raza: el superátomo, más denso que el estado sólido.

Tuvo que llegar el 1995 para que los científicos pudieran ver por primera vez este quinto estado de la materia entre unos pocos parpadeos. Pero ahora en 2018, las nubes de átomos ultrafríos serán llevadas al espacio en una misión muy esperada por los físicos cuánticos de la NASA, porque podrán extender, al menos, 10 segundos la visibilidad del fenómeno y recrearlo tantas veces como quieran.

Disponer de una zona de pruebas como esta en el espacio es el sueño de los científicos que trabajan en el Laboratorio Atómico Frío de la NASA, el cual fue programado para ser lanzado a la Estación Espacial Internacional (EEI) el 20 de mayo.

Energía oscura y otros experimentos

En su sitio web oficial, la agencia espacial de los Estados Unidos anuncia que el Cold Atom Laboratory (CAL) aprovechará el entorno de microgravedad, exclusivo de la estación internacional, para estudiar fenómenos cuánticos indetectables en la atmósfera terrestre. Incluso, esperan hallar respuestas a temas como la energía oscura y otros aspectos que hasta ahora suenan a ciencia ficción.

Como el CAL analiza gases cuánticos ultrafríos, los investigadores se valdrán de las condiciones de cero gravedad y del frío más extremo (20 trillones de grados sobre el cero absoluto), jamás conseguido en un laboratorio, para observar cómo interactúan los átomos en la nube del condensado de Bose-Einstein, sin casi movimiento debido a la ultracongelación.

En la EEI, la misión que ya supera los $83 millones, el quinto estado de la materia podrá mostrarse en nubes de cientos de miles de átomos durante más tiempo.

Robert Thompson, uno de los expertos de la Oficina de Ciencias del Programa EEI, confirma que el Laboratorio Atómico Frío de la NASA tiene planificadas 7 misiones en el espacio. La búsqueda de temperaturas ultraheladas ha sido uno de los grandes anhelos de los físicos desde hace más de un siglo. Thompson advierte que los avances en esta área han permitido descubrir la superfluidez, la superconductividad y, recientemente, la evolución de técnicas de congelación por láser.

Ondas y hielo cuántico

La NASA refiere que, normalmente, la materia conserva una onda con partículas de átomos. Cuando las temperaturas bajan al extremo, los átomos se superponen y se juntan en una misma onda macroscópica, en un gran bloque cuántico. Hasta ahora, los científicos no han podido observar con detalles este comportamiento de los superátomos, lo cual se considera clave para desarrollar sensores cuánticos basados ​​en átomos ultrafríos.

Los superátomos son importantes para entender campos gravitacionales y magnéticos, las rotaciones y para hacer pruebas del principio de equivalencia, según afirma la NASA. “El simple hecho de poder hacer estos experimentos en el espacio, es un gran logro”, dice Kamal Oudrhiri, CEO de la misión JPL (Jet Propulsion Laboratory), localizada en Pasadena, California. El JPL, donde también trabaja Thompson, tendrá acceso al laboratorio para fabricar hielo cuántico en el espacio.

Obtener condensadores más fríos y resistentes llevará a otra dimensión el estudio de la física fundamental, acota la física atómica Gretchen Campbell. Desde el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología de los EE.UU en Gaithersburg, Maryland, Campbell asegura que este hito del laboratorio para hielo cuántico “es algo que las personas han esperado durante casi 15 años”.

Thompson explica que las dimensiones estrechas de la EEI los han llevado a rediseñar todo un laboratorio de física atómica para que quepa dentro de una caja del tamaño de un frigorífico portátil. En esta microhabitación, los átomos de Rubidio (87Rb) y Potasio (40K o 41K) serán sometidos a ultra bajas temperaturas y a luz láser para que produzcan gases y dispersen todas las partículas atómicas hasta que se queden inmóviles.

Con campos magnéticos atraparán la nube y con una especie de “cuchillo” de onda de radio ensancharán la trampa.

El reto de la NASA

Thompson asegura que los astronautas de la EEI solo se encargarán de llevar la mudanza. “Desembalarán e instalarán el equipo. Los experimentos se ejecutarán solo mientras el personal esté dormido”, a fin de que ningún movimiento interrumpa las pruebas.

Para finales de 2019 llegará a la EEI un equipo más sofisticado para seguir profundizando en este nuevo capítulo para la mecánica cuántica y en las posibles respuestas que dará a los misterios del Universo.

“Los experimentos que haremos con Cold Atom Lab nos darán una idea de la gravedad y la energía oscura, algunas de las fuerzas más penetrantes del universo”, anuncia Thompson.

En la lista de los cinco equipos que harán uso del laboratorio más frío se encuentra el encabezado por Eric Cornell, de la Universidad de Colorado, quien compartió el Premio Nobel de Física 2001 por el hallazgo de los BEC.

Realizarán pruebas sobre los estados cuánticos de Efimov, en las que los átomos debilitados se unen en tríos, algo muy raro de observar. El equipo espera crear núcleos de cuatro átomos, denominados tetrámeros, señala Maren Mossman, físico de la Universidad Estatal de Washington en Pullman, y que también hará uso de la instalación a través de los investigadores del JPL.

Paralelamente, la NASA trabaja con el Centro Aeroespacial Alemán (DLR) para construir un laboratorio llamado BECCAL (Bose-Einstein Condensed y Cold Atom Laboratory) con los resultados que se obtengan de la estación espacial.