Crean materia 3 000 millones de veces más fría que el espacio exterior

El lugar más frío del universo está en un laboratorio, y los fermiones más fríos que conocemos están en el laboratorio de la universidad de Kyoto que ha conseguido enfriar estas partículas hasta una mil millonésima de grado por encima del cero absoluto. Pero, ¿qué son los fermiones? Y, ¿por qué necesitamos enfriarlos tanto?

El lugar más frío del universo está sin duda en un laboratorio. Y a menos que haya una civilización extraterrestre haciendo experimentos como los que han estado haciendo en la Universidad de Kyoto, los fermiones más fríos del universo están aquí, en la Tierra.

El lugar natural más frío conocido sería la nebulosa del Boomerang, una nebulosa protoplanetaria cuya temperatura está apenas un grado por encima del cero absoluto, estando incluso más fría que el fondo cósmico de microondas. Esta nebulosa se encuentra a unos 5 000 años luz de la Tierra y aunque el nombre de “protoplanetaria” lo sugiera, no se trata de la nube que rodea a una estrella tras su nacimiento, sino tras su muerte. La estrella central de esta nebulosa es una gigante roja que está desprendiéndose de sus capas externas poco a poco, formando esta nebulosa. Esta nebulosa está casi dos grados más fría que el medio intergaláctico.

Pero aún así, esta temperatura es altísima en comparación con los muchos experimentos que se han hecho en la Tierra buscando llevar a diferentes partículas a la temperatura más baja posible, como el que ha llevado a estos fermiones a apenas una mil millonésima de grado por encima del cero absoluto. Los fermiones, aunque tengan un nombre en apariencia exótico, son las partículas más familiares que existen. Todo tu cuerpo, tu hogar y el planeta están formados por ellos. Los electrones, protones y neutrones que conforman nuestros átomos son de hecho fermiones.

Las partículas fundamentales, y las que se crean al combinar varias de estas, pueden clasificarse en dos tipos: bosones y fermiones. La diferencia entre estos dos tipos de partículas viene dada por su espín. Esta propiedad, puramente cuántica, está relacionada con el momento angular de las partículas. Es por esto que suele explicarse, de manera errónea, que tiene que ver con la rotación de las partículas sobre sí mismas. Esto no es así, pues las partículas fundamentales, como electrones, quarks y fotones son, hasta donde sabemos, puntuales: no tienen tamaño. Por tanto no pueden girar sobre sí mismas, pues no hay ninguna estructura que pueda realmente rotar.

Pues bien, los fermiones tendrán espín semientero y los bosones espín entero. Es decir, el espín de un bosón puede tomar valores como 0, 1, 2, etc, mientras que el espín de un fermión tomará valores como ½, 3/2, 5/2, etc. Esta distinción, que podría parecer que solo tiene interés teórico, es clave para explicar cómo funciona nuestro universo. Los fermiones seguirán el principio de exclusión de Pauli, un principio de la mecánica cuántica que nos dice que un sólo fermión podrá ocupar un determinado estado cuántico. Este es el motivo, o parte de él, de que los electrones se dispongan en distintos orbitales alrededor de los núcleos atómicos, pues dos electrones no podrán ocupar un mismo estado y estos irán llenándose progresivamente.

Además, los fermiones forman la materia de la que está compuesto el universo, pues nuestros átomos están compuestos de combinaciones de quarks (que dan lugar a protones y neutrones), rodeados de electrones. También otras partículas más exóticas, como los neutrinos, los muones o los quarks extraño o encanto son fermiones.

Los bosones sin embargo no constituyen materia, pues ellos sí pueden ocupar un estado concreto a la vez, impidiéndoles formar estructura a gran escala. Los bosones jugarán el papel de transmitir las interacciones fundamentales entre los fermiones. Así el fotón, el gluón o las partículas W y Z son bosones y se encargan de mediar las interacciones electromagnética, nuclear fuerte y nuclear débil respectivamente.

El equipo de la universidad japonesa ha utilizado láseres para enfriar átomos de iterbio (Yb) a esta temperatura. El cero absoluto de temperatura tiene cierto paralelismo con la velocidad de la luz y es que es un valor para una cierta magnitud que, según nuestras teorías, resulta inalcanzable. Pero no solo eso, sino que a medida que nos vamos acercando a dicho valor, las leyes de la física cambian por completo.

En el caso de la velocidad de la luz es la teoría de la relatividad especial, del físico alemán Albert Einstein, la que explica cómo sucede este cambio. Cuando nos aproximamos al cero absoluto, temperatura a la cual cesa todo movimiento de los átomos o partículas que forman una sustancia, las leyes de la física cuántica dejan de estar restringidas al mundo microscópico y surgen manifestaciones macroscópicas. Un fenómeno asociado a temperaturas próximas al cero absoluto es el de la superconductividad (aunque más recientemente se ha conseguido reproducir este fenómeno a temperaturas mayores).

Este equipo ha estudiado precisamente esto, observando las propiedades magnéticas del material y estudiando cómo sus electrones muestran comportamientos colectivos, que no pueden ser explicados como innumerables partículas independientes, sino como un todo con unas propiedades nuevas.

Estas investigaciones pueden llevarnos a entender qué hace que en última instancia un material sea conductor, aislante o muestre cualquier otra propiedad. Con los alrededor de 300 000 átomos que han dispuesto en una red cristalina altamente simétrica. Además, esta investigación está propiciando el desarrollo de las herramientas necesarias para estudiar en todavía más detalle estos sistemas, con la esperanza de ser capaces de crear materiales con las propiedades que deseemos, a la carta.

Referencias:

Shintaro Taie, Eduardo Ibarra-García-Padilla, Naoki Nishizawa, Yosuke Takasu, Yoshihito Kuno, Hao-Tian Wei, Richard T. Scalettar, Kaden R. A. Hazzard, Yoshiro Takahashi. Observation of antiferromagnetic correlations in an ultracold SU(N) Hubbard model. Nature Physics, 2022; DOI: 10.1038/s41567-022-01725-6

José Luis Oltra de perfil

José Luis Oltra (Cuarentaydos)

Soy físico de formación y viajero de vocación. Divulgo ciencia allí donde me lo permiten, aunque principalmente en youtube y tiktok bajo el nombre de Cuarentaydos. Por aquí me verás hablando de la física del universo, desde las galaxias y estrellas más grandes hasta las partículas subatómicas que las componen.

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