Incluso para aquellos científicos que se dedican a estudiar la gravedad, la implacable atracción ejercida por la Tierra puede acabar suponiendo un lastre. Así ocurre con los trabajos que buscan emplear condensados de Bose-Einstein para sondear la física fundamental. Este estado de la materia aparece cuando ciertos gases de átomos se enfrían hasta temperaturas muy próximas al cero absoluto y el conjunto entero comienza a comportarse como una extraña porción de materia cuántica. Tales configuraciones pueden magnificar hasta escalas macroscópicas algunos efectos cuánticos que de otro modo permanecerían ocultos, como la naturaleza ondulatoria de la materia. En ocasiones, sin embargo, la fuerza de la gravedad puede interponerse en el camino.

Escapar a la influencia de la gravedad en la superficie terrestre implica experimentar con condensados de Bose-Einstein en caída libre durante un breve intervalo de tiempo, por lo general en el interior de una torre o en aviones que sigan trayectorias parabólicas. Con todo, el mejor método probablemente sea abandonar la Tierra y emplazar la muestra en una nave en órbita, a fin de que experimente un estado de caída libre durante mucho más tiempo. Un proyecto auspiciado por la Agencia Aeroespacial Alemana (DLR) ha materializado dicho objetivo.

El trabajo, publicado en Comunicaciones de la naturaleza, recoge los resultados de un experimento efectuado en 2017. En él, los investigadores crearon condensados de Bose-Einstein en un chip de pocos centímetros emplazado en un cohete a 300 kilómetros de altitud. A continuación, los condensados se hicieron chocar entre sí en condiciones microgravedad, gracias a lo cual los autores pudieron estudiar las colisiones con enorme detalle. La misión, MAIUS-1, ha sido la primera que ha conseguido hacer colisionar con éxito condensados de Bose-Einstein en el espacio: todo un primer paso que marcará el camino hacia futuros experimentos espaciales de física fundamental.

Choque de condensados

Cuando dos condensados de Bose-Einstein colisionan, no rebotan uno contra otro, sino que interaccionan como ondas: si sus respectivas crestas coinciden, darán lugar a una cresta aún mayor; si una cresta coincide con un valle, ambos se anularán. En general, el resultado será un patrón de interferencia: una sucesión de franjas brillantes y oscuras. Cuando esas ondas están asociadas a átomos, su estudio recibe el nombre de interferometría atómica.

A bordo del cohete MAIUS-1, un sistema de láseres cuidadosamente coreografiado dividía los átomos ultrafríos en múltiples ondas de materia antes de dejarlos colisionar. Las imágenes captadas en el interior del cohete, las cuales fueron analizadas cuando la nave regresó a la Tierra, mostraron un detallado patrón de interferencia debido a las ligeras diferencias en las formas y las posiciones de las crestas y los valles asociados a cada condensado. A partir de esos datos, los investigadores pudieron saber si, antes del choque, las ondas de materia habían sufrido modificaciones debidas a la interacción con la luz o a cualquier otra fuerza.

«Los átomos son sensibles a todo eso», explica Naceur Gaaloul, físico de la Universidad Leibniz de Hannover y coautor del trabajo. Según el investigador, el patrón de franjas producido en la colisión entre condensados puede compararse a una excavación arqueológica: ayuda a los científicos a determinar la historia de esas ondas de materia y a identificar cualquier factor que pudiera haber alterado su configuración.

La presencia de un campo gravitatorio complica todo el proceso, ya que hace que los condensados caigan al mismo tiempo que se aproximan, lo que da lugar a choques muy breves y a patrones de interferencia borrosos. En cambio, las condiciones de microgravedad imperantes en una nave en órbita eliminan tales obstáculos.

Según Maike D. Lachmann, física de la Universidad Leibniz y primera autora del nuevo trabajo, librarse de la gravedad ha sido siempre uno de los objetivos de su grupo de investigación. «Todo comenzó en una colaboración cuyo objetivo era hacer experimentos en caída libre en una torre», recuerda. «Pero la meta a largo plazo siempre fue ir al espacio». En su día, dejar caer átomos ultrafríos desde una torre de más de cien metros de altura permitió a los científicos disfrutar de varios segundos de microgravedad. Ahora la misión MAIUS-1 ha aumentado esa duración a casi seis minutos.

«La microgravedad es el lugar donde uno quiere estar», asegura Cass Sackett, físico de la Universidad de Virginia que no participó en el estudio. «Espero que con el tiempo veamos interferómetros atómicos en el espacio que superen a cualquiera de los terrestres.»

Física fundamental en el espacio

En 2018, la NASA ya envió al espacio un experimento de átomos ultrafríos. Desde entonces, su Laboratorio de Átomos Fríos (CAL, por sus siglas en inglés) ha estado trabajando a bordo de la Estación Espacial Internacional. Su capacidad para crear materia cuántica en condiciones de microgravedad ha cautivado a muchos físicos.

Anita Sengupta, ingeniera aeroespacial que fue directora del proyecto CAL durante los primeros cinco años de desarrollo y que no ha participado en el nuevo estudio, se hace eco de ese sentimiento: «Mi motivación para esta misión era diseñar una instalación que pudiera explorar la física fundamental de los condensados de Bose-Einstein y abrir una nueva puerta al mundo cuántico», apunta. La investigadora añade que, en fecha reciente, también los investigadores de CAL han logrado llevar a cabo experimentos de interferometría atómica similares a los de MAIUS-1.

Con independencia de la plataforma, un objetivo común de la interferometría atómica es comprobar el principio fundamental de que todos los cuerpos experimentan la fuerza de la gravedad del mismo modo, sea cual sea su composición. Según explica Lachmann, repetir múltiples veces la interferencia de ondas de materia de MAIUS-1 con átomos distintos permitiría poner a prueba esta idea con un nivel de precisión sin precedentes. En el improbable caso de que la gravedad actuara de distinto modo sobre ciertos átomos, los patrones de interferencia resultantes serían marcadamente dispares.

La exquisita precisión que ofrece la interferometría atómica también abre la puerta a la remota posibilidad de que algunas interacciones exóticas, como las asociadas a algunos modelos de energía oscura, dejen su huella en estos experimentos.

Una aplicación más inmediata de los dispositivos como el chip de MAIUS-1 podría darse en la navegación celeste. Dado que los patrones de interferencia en un condensado de Bose-Einstein son sensibles a la mínima fluctuación de la gravedad, pueden emplearse para  cartografiar campos gravitatorios. Y, al igual que los mapas de corrientes submarinas ayudan a navegar a los barcos, tales mapas gravitatorios podrían ser útiles para afinar las maniobras de las naves espaciales.

Durante su misión, el equipo de MAIUS-1 ya ha logrado varios avances tecnológicos. Los investigadores lograron montar el sistema en un pequeño chip (en lugar de en una gran mesa de laboratorio, como ocurre en la mayoría de los experimentos terrestres), ya que tenía que sobrevivir al vuelo del cohete a través de la atmósfera. Y dado que no podían comunicarse con la aeronave después del lanzamiento, un sistema automatizado enfrió los átomos, los manipuló y los fotografió. De cara al futuro, el grupo planea equipar el cohete con sensores de navegación comunes y comparar su funcionamiento con el del chip.

Por ahora, los científicos de la NASA y los de MAIUS-1 están colaborando en el desarrollo de varias actualizaciones para instalarlas en la Estación Espacial Internacional a bordo del CAL y realizar con ellas nuevos experimentos en condiciones de microgravedad. Por ejemplo, con átomos con propiedades magnéticas o con aquellos que interaccionan fuertemente ente sí. La idea es que llevar los átomos al espacio y suprimir los efectos de la gravedad terrestre permita poner la física fundamental bajo una nueva lupa.

Karmela Padavic-Callaghan

Referencia: «Interferometría de átomos ultrafríos en el espacio“; Maike D. Lachmann y col. en Comunicaciones de la naturaleza, vol. 12, art. 1317, 26 de febrero de 2021.



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