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Refrigeración cuántica: ¿con láseres?

Refrigeración cuántica: ¿con láseres?

[Fuente de la imagen: Ars Electronica]

El descubrimiento de los superconductores en 1911 por el físico holandés Heike Kamerlingh Onnes ha dejado a los científicos tratando de enfriar partículas hasta el cero absoluto (0 kelvin o 0 k) para alcanzar un estado de superconductividad. La superconductividad es un estado en el que las partículas casi no tienen resistencia, un efecto cuántico. Un superconductor puede soportar un suministro ilimitado de electricidad sin perder energía debido al calor o al sonido, revolucionando la forma en que podemos usar la energía. Pero vino con un giro aún mayor: diamagnacianismo. El diamagnatismo es un fenómeno en partículas súper enfriadas que previenen todaslos campos magnéticos no penetren mientras crean un campo magnético opuesto que repele cualquier fuerza magnética aplicada. El diamagnatismo es excelente para la superconducción y la levitación, ya que repele todos los imanes, lo que promete grandes avances en el transporte que es ya está siendo utilizado. Pero, ¿cómo enfrías las partículas hasta cerca de 0 kelvin? ¿Y qué par es 0 k?

[Fuente de la imagen: Steve Jervetson]

Cero kelvin es el cero absoluto, donde no hay absolutamente ninguna energía en una sustancia, la temperatura absoluta más fría que cualquier cosa puede tener. A 0 kelvin, una partícula estaría completamente inmóvil. ¿Pero cómo consigues algo tan frío? Si bien la luz, tal como la conocemos, produce el calor que sentimos aquí en la tierra, no significa necesariamente que toda la luz solo generará calor. La temperatura es la velocidad promedio que tiene un grupo de átomos, cuanto más se mueve, más calor tiene. La luz lleva impulso ya que el impulso es solo masa veces velocidad. ¿Pero la luz no tiene masa? Bueno, no, pero tiene un equivalencia energía / masa, mejor descrito con una de las ecuaciones más famosas de Einstein E = mc². Reorganizado para masa y la ecuación se puede sustituir de nuevo en la ley del momento, derivando la ecuación para el impulso de la luz.

Dado que la luz lleva impulso, su energía se puede transferir a partículas, como una pelota de tenis que golpea una pelota de baloncesto. Lanza la pelota lo suficientemente fuerte y deberías poder hacer que la pelota se mueva. Las moléculas de aire viajan a alrededor de 4000 km / h, lo que las hace muy difíciles de estudiar ya que no permanecen en un área por mucho tiempo. Los láseres se pueden usar para capturar átomos en una trampa magnetoóptica, o MOT, que funciona de manera similar al efecto de una mosca que aterriza en una capa gruesa de melaza, lo que se denomina efectomelaza óptica " . Pero, ¿cómo se pueden ralentizar los átomos si la luz siempre quiere empujar? Los científicos descubrieron un método para impulsar Al frente de la partícula en movimiento con láseres, quequitar la velocidad que tenían las partículas, reduciendo su impulso total.

El fenómeno fue descubierto por Steven Chu en 1985 y se conoce como enfriamiento por láser. Steven y sus colegas colocaron varios láseres dentro de una cámara de gas formando una "t" en el centro. A medida que las partículas flotaban, eventualmente uno quedaba atrapado en el medio de los láseres donde era bombardeado con fotones que golpeaban precisamente en las direcciones opuestas a las que la partícula estaba tratando de moverse. Esto creó un efecto similar al de una persona que intenta andar en bicicleta contra el viento. Cuanto más fuerte sea la fuerza del viento en la dirección opuesta, más difícil y, por lo tanto, más lento viajará el ciclista, y eventualmente se detendrá una vez que el viento sea demasiado fuerte (esperemos que no haya sido en un huracán).

[Fuente de la imagen: Asaf]

Las partículas se enfriaron hasta cerca de 0 k, el número mágico. Los científicos están extremadamente interesados ​​en obtener cero kelvin para sacar el máximo efecto cuántico que tienen las partículas subatómicas. Lo hermoso de las partículas es que los pequeños electrones que giran alrededor del núcleo solo pueden daralgunosdatos, nunca todos (esta es una propiedad cuántica). O puede saber exactamente qué tan rápido va un electrón sin absolutamente ninguna idea de dónde está, o puede saber dónde está el electrón, pero no tiene ni idea de qué tan rápido va. Efectivamente, los científicos que estaban enfriando las partículas redujeron la velocidad de los electrones hasta el punto de cero kelvin, media mil millonésima de grado por encima del cero absoluto. La temperatura más fría del universo conocido se encuentra en la nebulosa Boomerang, a una temperatura cálida de 1 K (-458 grados Fahrenheit o -272 grados Celsius), lo que hace que el lugar más frío del universo esté realmente en Tierra.A 0 k, los electrones podrían estar en el otro lado del universo porque la velocidad se conocía casi con exactitud, lo que significa que nadie sabía dónde estaba el electrón. Esto desbloquea un hermoso fenómeno llamado superconductividad y diamagnitismo, otro estado fascinante de la materia.

[Fuente de la imagen: NASA, la nebulosa Boomerang]

El pensamiento convencional no producirá nuevos resultados. ¿Quién hubiera pensado que el uso de láseres produciría no solo la temperatura más fría en Tierra, pero la temperatura más fría en eluniverso conocido?La ciencia es importante para comprender cómo funciona el universo, lo que podría revelar los secretos de cómo surgieron los humanos y todo. La ciencia continúa mejorando a un ritmo sin precedentes, cambiando para siempre y dando forma al futuro y a la vida tal como la conocemos.

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Escrito por Maverick Baker

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