Condensado de B-E

Temas de Física

Átomos a muy baja temperatura: de
condensación de Bose-Einstein a
sistemas altamente correlacionados
J. J. García-Ripoll, B. Paredes, J. I. Cirac
Revisamos algunos de los últimos logros en el estudio de los condensados de
Bose-Einstein: creación y manipulación de vórtices, creación de “entanglement”,
efecto Hall cuántico y átomos fríos fuertemente correlacionados en redesópticas.

El fenómeno conocido como condensación de BoseEinstein (CBE) fue predicho en 1924 por Einstein [1] para
un gas ideal, y posteriormente generalizado por London,
Landau y Bogoliubov [2] para átomos debilmente interactuantes. Este efecto, de naturaleza puramente cuántica, ocurre cuando un gas de bosones alcanza una temperatura muy
baja y una densidad muy alta, y se manifiesta en quetodas
las partículas tienden a ocupar el mismo estado cuántico. Sin
embargo, aunque a lo largo del siglo XX se encontraron evidencias experimentales de la CBE en campos tan dispares
como superfluidez, superconductividad, Física nuclear y
QCD [3]; en todos estos experimentos las interacciones son
muy fuertes, la descripción teórica es mucho más complicada y la condensación juega un papelmarginal.
Esta era la situación hasta que en 1995 tres grupos experimentales obtuvieron condensados de Bose-Einstein utilizando gases de átomos alcalinos confinados magnéticamente [4]. El primer condensado se consiguió en el grupo de E.
Cornell y C. Wieman (Colorado, EE. UU.) enfriando átomos
de rubidio. Poco después ese mismo año el grupo de R. Hulet
en la Universidad de Rice (Houston, EE. UU.) yel grupo de

W. Ketterle en el MIT (Cambridge, EE. UU.) lograron “condensar”, respectivamente, átomos de litio y sodio. Desde
entonces más de treinta laboratorios en todo el mundo han
conseguido producir condensados, añadiendo nuevas especies atómicas a la lista, como helio, potasio e hidrógeno [5].
Como lo demuestra el premio Nóbel de Física otorgado a
E. Cornell, C. Wieman y W. Ketterle enel año 2001, la investigación de los átomos a muy bajas temperaturas es un
campo consolidado y en rápido desarrollo. En este artículo
ofreceremos una breve panorámica del campo, concentrándonos en los descubrimientos de los últimos años. Comenzaremos por definir qué es la CBE y qué relación guarda con
la Mecánica Cuántica; resumiremos algunos resultados interesantes, experimentales y teóricos;y, por último, mencionaremos las líneas de investigación que permanecen abiertas.
Brevemente, el condensado de Bose-Einstein es un nuevo
estado de la materia que sólo puede ser descrito mediante la
Mecánica Cuántica. A temperaturas del orden de los microkelvin y trabajando con gases alcalinos muy diluidos (densidades del orden de 1014 cm–3 para sodio), el estado de un
colectivo de átomos denaturaleza bosónica viene descrito
por una función de onda de la forma

http://www.ucm.es/info/rsef

REF Enero-Febrero 2003

Átomos a muy baja temperatura: de condensación de Bose-Einstein a sistemas altamente correlacionados

Ψc (x 1 , K , x N , t ) ≅ φ( x 1 , t )K φ( x N , t );

φ(x) = ρ(x) e i arctan( x / y ) ,

(1)

esto es, todos los átomos comparten el mismo estado cuántico.Para que la condensación tenga lugar con átomos reales
necesitamos, además de las condiciones descubiertas por
Einstein (baja temperatura y alta densidad), que la interacción entre átomos sea de corto alcance (típico para átomos
neutros) y que la distancia interatómica promedio sea grande (bajas densidades), para que los átomos no formen moléculas.
En la ecuación (1) vemos que el condensado noes sino
un estado cuántico de naturaleza macroscópica: cada átomo
tiene asociada la misma función de onda, que puede alcanzar
una extensión de micras. Hay varias propiedades que merece la pena resaltar. En primer lugar, la función de onda Ψc es
simétrica respecto del intercambio de dos átomos, hecho que
resulta de la indistiguibilidad de los átomos y de su carácter
bosónico. En segundo...