Desde los días del programa Apolo de la NASA, los astronautas han documentado cómo los líquidos se comportan de manera diferente en microgravedad que en la Tierra: fusionándose en esferas flotantes en lugar de gotitas pesadas en el fondo.

Ahora los investigadores han demostrado este efecto con un material mucho más exótico: gas enfriado hasta casi el cero absoluto (menos 273 grados Celsius), la temperatura más baja que puede alcanzar la materia.

Usando el Cold Atom Lab de la NASA, la primera instalación de física cuántica a bordo de la Estación Espacial Internacional, los investigadores tomaron muestras de átomos enfriados a una millonésima de grado por encima del cero absoluto y les dieron forma de esferas huecas extremadamente delgadas.

El gas frío comienza en una gota pequeña y redonda, como una yema de huevo, y se esculpe en algo más parecido a una fina cáscara de huevo. En la Tierra, intentos similares fracasan: los átomos se agrupan hacia abajo, formando algo más parecido a una lente de contacto que a una burbuja.

El hito, descrito en un nuevo artículo publicado en línea el miércoles 18 de mayo en la revista Nature, solo es posible en el entorno de microgravedad de la estación espacial.

Las burbujas ultrafrías podrían eventualmente usarse en nuevos tipos de experimentos con un material aún más exótico: un quinto estado de la materia (distinto de los gases, líquidos, sólidos y plasmas) llamado condensado de Bose-Einstein (BEC). En un BEC, los científicos pueden observar las propiedades cuánticas de los átomos a una escala visible a simple vista. Por ejemplo, los átomos y las partículas a veces se comportan como objetos sólidos y otras como ondas, una propiedad cuántica llamada «dualidad onda-partícula».

El trabajo no requiere la asistencia de astronautas. Las burbujas ultrafrías se fabrican dentro de la cámara de vacío herméticamente sellada de Cold Atom Lab utilizando campos magnéticos para manipular suavemente el gas en diferentes formas. Y el laboratorio en sí, que tiene aproximadamente el tamaño de una mini nevera, se opera de forma remota desde JPL.

Las burbujas más grandes tienen aproximadamente 1 milímetro de diámetro y 1 micrón de espesor (eso es una milésima de milímetro o 0,00004 pulgadas). Son tan delgados y diluidos que solo los componen miles de átomos. En comparación, un milímetro cúbico de aire en la Tierra contiene alrededor de mil millones de billones de moléculas.

“Estas no son como las pompas de jabón promedio”, dijo David Aveline, autor principal del nuevo trabajo y miembro del equipo científico del Cold Atom Lab en el Jet Propulsion Laboratory de la NASA en el sur de California. “Nada de lo que conocemos en la naturaleza se enfría tanto como los gases atómicos producidos en Cold Atom Lab. Así que comenzamos con este gas único y estudiamos cómo se comporta cuando se le da forma en geometrías fundamentalmente diferentes. Históricamente, cuando un material se manipula de esta manera, puede surgir una física muy interesante, así como nuevas aplicaciones”.

Exponer los materiales a diferentes condiciones físicas es fundamental para comprenderlos. También suele ser el primer paso para encontrar aplicaciones prácticas para esos materiales.

La realización de este tipo de experimentos en la estación espacial utilizando el Cold Atom Lab permite a los científicos eliminar los efectos de la gravedad, que a menudo es la fuerza dominante que afecta el movimiento y el comportamiento de los fluidos. Al hacerlo, los científicos pueden comprender mejor los otros factores en juego, como la tensión superficial o la viscosidad de un líquido.

Ahora que los científicos han creado las burbujas ultrafrías, su próximo paso será hacer la transición del gas ultrafrío que compone las burbujas al estado BEC y ver cómo se comporta.

«Algunos trabajos teóricos sugieren que si trabajamos con una de estas burbujas que está en el estado BEC, podríamos formar vórtices, básicamente, pequeños remolinos, en el material cuántico«, dijo Nathan Lundblad, profesor de física en Bates. College en Lewiston, Maine, y el investigador principal del nuevo estudio. «Ese es un ejemplo de una configuración física que podría ayudarnos a comprender mejor las propiedades de BEC y obtener más información sobre la naturaleza de la materia cuántica».

El campo de la ciencia cuántica ha llevado al desarrollo de tecnologías modernas como los transistores y los láseres. Las investigaciones cuánticas realizadas en la órbita terrestre podrían conducir a mejoras en los sistemas de navegación de naves espaciales y sensores para estudiar la Tierra y otros cuerpos del sistema solar. Las instalaciones de átomos ultrafríos han estado en funcionamiento en la Tierra durante décadas; sin embargo, en el espacio, los investigadores pueden estudiar átomos ultrafríos y BEC de nuevas formas porque se reducen los efectos de la gravedad. Esto permite a los investigadores alcanzar regularmente temperaturas más frías y observar fenómenos durante más tiempo que en la Tierra.

“Nuestro objetivo principal con Cold Atom Lab es la investigación fundamental: queremos utilizar el entorno espacial único de la estación espacial para explorar la naturaleza cuántica de la materia”, dijo Jason Williams, científico del proyecto Cold Atom Lab en JPL. “Estudiar átomos ultrafríos en nuevas geometrías es un ejemplo perfecto de eso”.

Referencia: NASA. 2022. Ultracold Bubbles on Space Station Open New Paths for Quantum Research (Press Release)