Físicos han creado el primer condensado de Bose-Einstein –el misterioso ‘quinto estado’ de la materia– hecho de cuasipartículas, que tienen potencial de partículas elementales como carga y espín.
Durante décadas, se desconocía si podían someterse a la condensación de Bose-Einstein de la misma manera que las partículas reales, y ahora parece que sí. Se espera que el hallazgo tenga un impacto significativo en el desarrollo de tecnologías cuánticas, incluida la computación cuántica.
En la revista Nature Communications se publicó un artículo que describe el proceso de creación de la sustancia, alcanzada a temperaturas mínimamente superiores al cero absoluto.
Los condensados de Bose-Einstein a veces se describen como el quinto estado de la materia, junto con sólidos, líquidos, gases y plasmas. Teóricamente predichos a principios del siglo XX, los condensados de Bose-Einstein, o BEC, solo se crearon en un laboratorio en 1995. También son quizás el estado más extraño de la materia, y mucho sobre ellos sigue siendo desconocido para la ciencia.
Los BEC se producen cuando un grupo de átomos se enfría hasta milmillonésimas de grado por encima del cero absoluto. Los investigadores suelen utilizar láseres y «trampas magnéticas» para reducir constantemente la temperatura de un gas, normalmente compuesto de átomos de rubidio. A esta temperatura ultrafría, los átomos apenas se mueven y comienzan a exhibir un comportamiento muy extraño. Experimentan el mismo estado cuántico, casi como fotones coherentes en un láser, y comienzan a agruparse, ocupando el mismo volumen que un «superátomo» indistinguible. La colección de átomos se comporta esencialmente como una sola partícula.
Actualmente, los BEC siguen siendo objeto de mucha investigación básica y para simular sistemas de materia condensada, pero en principio tienen aplicaciones en el procesamiento de información cuántica. La computación cuántica, aún en las primeras etapas de desarrollo, utiliza varios sistemas diferentes. Pero todos dependen de bits cuánticos, o qubits, que se encuentran en el mismo estado cuántico.
La mayoría de los BEC se fabrican a partir de gases diluidos de átomos ordinarios. Pero hasta ahora, nunca se había logrado un BEC hecho de átomos exóticos.
Los átomos exóticos son átomos en los que una partícula subatómica, como un electrón o un protón, se reemplaza por otra partícula subatómica que tiene la misma carga. El positronio, por ejemplo, es un átomo exótico hecho de un electrón y su antipartícula cargada positivamente, un positrón.
Un «excitón» es otro ejemplo. Cuando la luz golpea un semiconductor, la energía es suficiente para «excitar» a los electrones para que salten del nivel de valencia de un átomo a su nivel de conducción. Estos electrones excitados luego fluyen libremente en una corriente eléctrica, en esencia, transformando la energía de la luz en energía eléctrica. Cuando el electrón cargado negativamente realiza este salto, el espacio que queda atrás, o «agujero», puede tratarse como si fuera una partícula cargada positivamente. El electrón negativo y el hueco positivo se atraen y, por lo tanto, se unen.
Combinado, este par electrón-hueco es una «cuasipartícula» eléctricamente neutra llamada excitón. Una cuasipartícula es una entidad similar a una partícula que no cuenta como una de las 17 partículas elementales del modelo estándar de física de partículas, pero que aún puede tener propiedades de partículas elementales como carga y espín. La cuasipartícula de excitón también se puede describir como un átomo exótico porque, en efecto, es un átomo de hidrógeno al que se le ha reemplazado su único protón positivo por un único orificio positivo.
Los excitones vienen en dos tipos: ortoexcitones, en los que el espín del electrón es paralelo al espín de su hueco, y paraexcitones, en los que el espín del electrón es antiparalelo (paralelo pero en dirección opuesta) al de su hueco.
Los sistemas de huecos de electrones se han utilizado para crear otras fases de la materia, como plasma de huecos de electrones e incluso gotas de líquido de excitón. Los investigadores querían ver si podían hacer un BEC a partir de excitones.
«La observación directa de un condensado de excitón en un semiconductor tridimensional ha sido muy solicitada desde que se propuso teóricamente por primera vez en 1962. Nadie sabía si las cuasipartículas podían experimentar la condensación de Bose-Einstein de la misma manera que las partículas reales», dijo en un comunicado Makoto Kuwata. Gonokami, físico de la Universidad de Tokio y coautor del artículo. «Es una especie de santo grial de la física de baja temperatura».
