Un gas cuántico desciende por debajo del cero absoluto

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La temperatura de un gas puede llegar por debajo del cero absoluto gracias a una peculiaridad de la física cuántica.

Puede sonar menos probable que el infierno se congele, pero los físicos han creado un gas atómico con una temperatura por debajo del cero absoluto por primera vez1. Su técnica abre la puerta a la generación de materiales con temperatura Kelvin negativa y a nuevos dispositivos cuánticos, e incluso podría ayudar a resolver un misterio cosmológico.

Lord Kelvin definió la escala de temperatura absoluta a mediados del siglo XIX de forma que nada pudiera ser más frío que el cero absoluto. Los físicos se dieron cuenta más tarde de que la temperatura absoluta de un gas está relacionada con la energía media de sus partículas. El cero absoluto corresponde al estado teórico en el que las partículas no tienen energía alguna, y las temperaturas más altas corresponden a energías medias más altas.

Sin embargo, en la década de 1950, los físicos que trabajaban con sistemas más exóticos empezaron a darse cuenta de que esto no siempre es cierto: técnicamente, se lee la temperatura de un sistema a partir de un gráfico que traza las probabilidades de que sus partículas se encuentren con determinadas energías. Normalmente, la mayoría de las partículas tienen energías medias o cercanas a la media, y sólo unas pocas partículas se mueven con energías más altas. En teoría, si la situación se invierte, con más partículas con energías más altas, en lugar de más bajas, el gráfico se invertiría y el signo de la temperatura cambiaría de una temperatura absoluta positiva a una negativa, explica Ulrich Schneider, físico de la Universidad Ludwig Maximilian de Múnich (Alemania).

Picos y valles

Schneider y sus colegas alcanzaron esas temperaturas subabsolutas con un gas cuántico ultrafrío formado por átomos de potasio. Utilizando láseres y campos magnéticos, mantuvieron los átomos individuales en una disposición de red. A temperaturas positivas, los átomos se repelen, lo que hace que la configuración sea estable. A continuación, el equipo ajustó rápidamente los campos magnéticos, haciendo que los átomos se atrajeran en lugar de repelerse. «Esto hace que los átomos pasen repentinamente de su estado más estable y de menor energía al estado de mayor energía posible, antes de que puedan reaccionar», dice Schneider. «Es como atravesar un valle y encontrarse al instante en la cima de la montaña».

A temperaturas positivas, esa inversión sería inestable y los átomos colapsarían hacia dentro. Pero el equipo también ajustó el campo láser de atrapamiento para que fuera energéticamente más favorable para que los átomos se mantuvieran en sus posiciones. Este resultado, descrito hoy en Science1, marca la transición del gas desde justo por encima del cero absoluto hasta unas milmillonésimas de Kelvin por debajo del cero absoluto.

Wolfgang Ketterle, físico y premio Nobel del Instituto Tecnológico de Massachusetts en Cambridge, que ya demostró anteriormente temperaturas absolutas negativas en un sistema magnético2, califica el último trabajo de «tour de force experimental». Los estados exóticos de alta energía que son difíciles de generar en el laboratorio a temperaturas positivas se vuelven estables a temperaturas absolutas negativas – «como si pudieras poner una pirámide de cabeza y no preocuparte de que se caiga», señala- y, por tanto, estas técnicas pueden permitir estudiar estos estados en detalle. «Puede ser una forma de crear nuevas formas de materia en el laboratorio», añade Ketterle.

Si se construyen, estos sistemas se comportarían de forma extraña, dice Achim Rosch, físico teórico de la Universidad de Colonia (Alemania), que propuso la técnica utilizada por Schneider y su equipo3. Por ejemplo, Rosch y sus colegas han calculado que, mientras que las nubes de átomos normalmente serían atraídas hacia abajo por la gravedad, si parte de la nube está a una temperatura absoluta negativa, algunos átomos se moverán hacia arriba, aparentemente desafiando la gravedad4.

Otra peculiaridad del gas subabsoluto-cero es que imita la «energía oscura», la misteriosa fuerza que empuja al Universo a expandirse a un ritmo cada vez más rápido contra la atracción de la gravedad. Schneider señala que los átomos atractivos del gas producido por el equipo también quieren colapsar hacia dentro, pero no lo hacen porque la temperatura absoluta negativa los estabiliza. «Es interesante que esta extraña característica aparezca en el Universo y también en el laboratorio», dice. «Puede que sea algo que los cosmólogos deban observar más de cerca».