Una nube de átomos apenas por encima del cero absoluto
Científicos chinos enfriaron una nube de átomos de rubidio a bordo del módulo de laboratorio Mengtian de la estación espacial de China hasta una temperatura equivalente de 9,7 picokelvin, según el equipo de investigación, que observó su expansión durante siete segundos. El resultado combina una temperatura excepcionalmente baja con un prolongado periodo de observación, dos condiciones que podrían ayudar a los científicos a medir la gravedad e investigar el comportamiento cuántico con mayor precisión.
Contenido
- Una nube de átomos apenas por encima del cero absoluto
- Qué entienden los científicos por enfriar átomos
- Por qué son importantes siete segundos en el espacio
- Cómo la luz láser se convierte en una trampa atómica
- Una alternativa a la de la Estación Espacial Internacional
- De una sala de laboratorio a un gabinete orbital
- Un avance crucial antes del lanzamiento
- Mediciones más prolongadas podrían revelar efectos más débiles
- Una plataforma para experimentos cuánticos
- Puntos clave
El Centro de Tecnología e Ingeniería para la Utilización del Espacio de la Academia China de Ciencias anunció el logro el 6 de noviembre de 2026. El estudio, titulado Gases cuánticos por debajo de 10 picokelvin en el espacio, se publicó en línea en Science. El centro dirigió el proyecto junto con la Universidad de Pekín y el Instituto de Óptica y Mecánica Fina de Shanghái.
El equipo describe el resultado como un récord de la materia artificial más fría. La cifra de 9,7 picokelvin equivale aproximadamente a una cuarta parte de los 38 picokelvin alcanzados por un equipo de la Universidad de Bremen en 2021, y a menos de una quinta parte de los 52 picokelvin logrados por el Laboratorio de Átomos Fríos de la NASA a bordo de la Estación Espacial Internacional en 2022.
Un picokelvin es una billonésima de kelvin. Por tanto, la nueva cifra equivale a 0,0000000000097 kelvin por encima del cero absoluto, una temperatura correspondiente a menos 273,15 grados Celsius. Los científicos calculan esta temperatura equivalente a partir de la expansión extremadamente lenta de los átomos liberados. La temperatura describe el movimiento de esa diminuta nube atómica dentro del aparato.
A unos 400 kilómetros sobre la Tierra, el experimento aprovecha el entorno de microgravedad de la estación para reducir las fuerzas que mantienen unidos a los átomos y observarlos durante más tiempo del que permitiría un laboratorio compacto en tierra.
Qué entienden los científicos por enfriar átomos
Los átomos de rubidio normalmente se mueven en muchas direcciones y a distintas velocidades. El enfriamiento reduce el movimiento aleatorio de un grupo de átomos. A temperaturas extremadamente bajas y con densidades adecuadas, pueden formar un condensado de Bose-Einstein, un estado en el que muchos átomos comparten un estado cuántico común y se comportan colectivamente.
Un condensado ofrece a los investigadores un sistema más grande y controlable para estudiar efectos que suelen asociarse con partículas individuales. En lugar de intentar seguir un átomo entre movimientos rápidos, los científicos pueden preparar una nube organizada, modificar el entorno y medir cómo responde.
La temperatura equivalente del experimento se obtiene a partir de la lentitud con la que se dispersa la nube tras ser liberada. Una nube cuyos átomos tienen muy poco movimiento relativo se expande muy lentamente. Observar esa expansión ayuda a los investigadores a determinar la energía asociada al movimiento.
Las leyes de la termodinámica impiden alcanzar el cero absoluto. El objetivo práctico es reducir el movimiento de los átomos lo suficiente para revelar efectos débiles y mantener durante más tiempo condiciones experimentales útiles. En este experimento, los siete segundos de observación son una parte fundamental del logro.
Por qué son importantes siete segundos en el espacio
La gravedad terrestre plantea dos problemas relacionados para los experimentos de enfriamiento. A medida que los investigadores debilitan la trampa, atrae a los átomos hacia abajo y limita el tiempo durante el cual una nube liberada puede permanecer dentro de la cámara de observación. Una trampa más débil facilita el enfriamiento, pero también tiene menos capacidad para sostener los átomos frente a la gravedad.
La estación espacial y el contenido de su laboratorio caen juntos alrededor de la Tierra. Esto produce microgravedad, que permite que los átomos permanezcan cerca del aparato con un confinamiento mucho menor. Así, los científicos pueden enfriarlos más y observar su expansión durante más tiempo.
Wolfgang Ketterle, profesor de Física del Instituto de Tecnología de Massachusetts y ganador del Premio Nobel de Física de 2001, explicó la magnitud del problema que supondría realizar en la Tierra un experimento de siete segundos:
En la Tierra, caería unos 250 metros, así que se estrellaría contra el suelo, a menos que se dispusiera de una cámara de vacío de 250 metros de altura
El laboratorio orbital ofrece esa oportunidad de observación prolongada en un instrumento compacto. Investigadores en tierra manejan los equipos a distancia y utilizan controles automatizados para llevar a cabo la secuencia de enfriamiento, cuidadosamente cronometrada.
Cómo la luz láser se convierte en una trampa atómica
El instrumento contiene unos 5 gramos de rubidio metálico, que sirven como fuente de átomos. La secuencia comienza calentando el metal para liberar vapor. Luego, los láseres y los campos magnéticos capturan y enfrían inicialmente átomos de ese vapor, antes de que el equipo los transfiera a trampas formadas por luz láser.
Los investigadores utilizan dos etapas de trampas ópticas cruzadas. En una trampa óptica, haces láser dispuestos cuidadosamente ejercen fuerzas que mantienen los átomos en una región pequeña. Reducir la intensidad de la luz hace que la trampa sea menos profunda y permite que escapen los átomos con más energía. Los átomos restantes tienen, en promedio, menos energía; este proceso se denomina enfriamiento evaporativo.
La etapa final emplea una expansión no adiabática, un cambio controlado del confinamiento que permite que la nube se expanda y reduce aún más el movimiento asociado a su temperatura efectiva. En conjunto, estas etapas enfriaron la nube de rubidio por debajo de los 10 picokelvin.
La microgravedad también planteó una dificultad técnica: la evaporación en una trampa óptica se volvió menos eficiente. El equipo desarrolló un método que utiliza un gradiente magnético adicional, es decir, un campo magnético cuya intensidad varía en el espacio, para facilitar el proceso y producir un condensado de gran pureza.
La trampa óptica sigue siendo la herramienta principal para las etapas avanzadas de enfriamiento, mientras que los campos magnéticos facilitan algunas partes de la preparación. Coordinar ambas funciones exige un control preciso de la intensidad del láser, los tiempos y las perturbaciones del entorno.
Una alternativa a la de la Estación Espacial Internacional
El Laboratorio de Átomos Fríos de la NASA ha utilizado trampas magnéticas formadas con un chip atómico, evaporación por radiofrecuencia y una técnica de enfriamiento final que incluye un pulso breve. En cambio, el equipo chino optó por el confinamiento óptico, la evaporación controlada mediante la intensidad de la luz y el enfriamiento profundo mediante expansión.
Los investigadores afirman que las trampas ópticas ofrecen una flexibilidad útil para futuros experimentos y reducen la sensibilidad a las interferencias magnéticas durante el confinamiento. Además, varios haces láser pueden crear estructuras útiles para la simulación cuántica, en la que un sistema atómico controlable reproduce características seleccionadas de otro sistema físico.
Los récords anteriores ofrecen dos puntos de comparación. El resultado de 38 picokelvin de Bremen, en 2021, se obtuvo en una torre de caída que generó un breve periodo de microgravedad. El experimento de la Estación Espacial Internacional alcanzó los 52 picokelvin en 2022. Los 9,7 picokelvin anunciados por China son unas 3,9 veces menos que la cifra de Bremen y unas 5,4 veces menos que el resultado orbital anterior.
El nuevo experimento combina el resultado de temperatura con siete segundos de expansión observada. Para los investigadores que preparan experimentos de precisión, una nube que se mantiene lenta y observable durante más tiempo puede ser más útil que un récord de temperatura por sí solo.
De una sala de laboratorio a un gabinete orbital
El aparato terrestre ocupaba unos 20 metros cúbicos y pesaba aproximadamente 10 toneladas. Las descripciones de ingeniería sitúan el gabinete orbital integrado en unos 0,7 metros cúbicos y 500 kilogramos. El anuncio del centro también ofrece una descripción de menos de un metro cúbico, unos 300 kilogramos y aproximadamente 700 vatios; no se ha explicado la diferencia entre las cifras de peso citadas.
Según las cifras detalladas de ingeniería, el sistema orbital ocupa alrededor de una vigesimonovena parte del volumen del sistema terrestre y tiene una vigésima parte de su masa. Para lograr esa reducción, los láseres, la óptica de precisión, los equipos de vacío y los controles electrónicos tuvieron que funcionar de manera coordinada en un espacio muy limitado.
Los desarrolladores utilizaron conexiones de fibra óptica para el sistema láser, control preciso del láser, un vacío ultraalto, electrónica automatizada y aislamiento de vibraciones. El vacío reduce las colisiones con partículas de gas no deseadas, mientras que el aislamiento limita las perturbaciones mecánicas que podrían alterar la delicada nube.
El gabinete también tiene un diseño modular. Los investigadores pueden seleccionar módulos experimentales y secuencias de tiempos para distintos estudios, lo que permite que la misma plataforma respalde varios tipos de investigación cuántica, en lugar de limitarse a una sola demostración de enfriamiento.
Un avance crucial antes del lanzamiento
La evaluación inicial del proyecto comenzó en 2011, mucho antes de que el aparato llegara a la órbita. A finales de 2021 surgió una dificultad crítica, cuando el equipo no logró producir en repetidas ocasiones el condensado de Bose-Einstein necesario para las etapas posteriores de enfriamiento.
Los desarrolladores obtuvieron 10 días adicionales para resolver el problema antes de que se decidiera si se incluiría el instrumento en el vuelo previsto. Probaron y ajustaron el hardware y el software de todo el sistema. El condensado apareció finalmente en las primeras horas del 8 de enero de 2022, lo que permitió superar una etapa clave para el lanzamiento.
Los principales hitos abarcan más de una década:
- 2011: Comenzó la evaluación inicial del experimento de átomos ultrafríos para la estación espacial.
- Finales de 2021: Las dificultades para producir un condensado pusieron en riesgo la inclusión prevista del instrumento en el vuelo.
- 8 de enero de 2022: El equipo produjo el condensado necesario tras una intensa labor de resolución de problemas.
- 2022: La instalación viajó a la estación espacial a bordo del módulo de laboratorio Mengtian.
- 6 de noviembre de 2026: Se anunció el resultado de 9,7 picokelvin y el estudio se publicó en línea en Science.
El profesor de la Universidad de Pekín Zhou Xiaoji y el investigador Chen Weibiao, del Instituto de Óptica y Mecánica Fina de Shanghái, figuran entre los autores de correspondencia del estudio. Entre los investigadores que comparten la primera autoría están Li Tang, del instituto de Shanghái, y Xiong Wei y Jin Shengjie, de la Universidad de Pekín.
Mediciones más prolongadas podrían revelar efectos más débiles
Los interferómetros atómicos son algunos de los instrumentos que podrían beneficiarse de la nueva plataforma. Utilizan las propiedades ondulatorias de los átomos y dividen y recombinan ondas atómicas para que el patrón resultante revele efectos como la aceleración o la gravedad.
Ernst M. Rasel, profesor de Física de la Universidad Leibniz de Hannover, en Alemania, describió las condiciones que necesitan estos instrumentos:
Los interferómetros atómicos se benefician enormemente de fuentes que proporcionan una gran cantidad de átomos en un conjunto ultrafrío y largos tiempos de observación
Rasel explicó que la sensibilidad del interferómetro aumenta con el cuadrado del tiempo que los átomos pasan en el instrumento. Si las demás condiciones no cambian, duplicar ese tiempo puede cuadruplicar la respuesta al efecto medido. Esto hace que la observación prolongada sea especialmente valiosa para señales muy pequeñas.
El siguiente paso que señaló es un interferómetro orbital en el que las ondas atómicas permanezcan separadas de forma coherente durante varios segundos. La coherencia consiste en preservar la relación entre las ondas para que, al recombinarse, permitan obtener una medición útil. Los siete segundos de observación de la nube ofrecen un punto de partida para desarrollar esa capacidad.
Los investigadores prevén aplicaciones en la elaboración de mapas de la gravedad terrestre, la navegación y la determinación de las órbitas de los satélites. Las mediciones más precisas de la gravedad también podrían ayudar a seguir los cambios en los glaciares y las corrientes oceánicas, ya que el movimiento del agua y el hielo modifica la distribución de la masa terrestre.
Una plataforma para experimentos cuánticos
El sistema óptico podría permitir el uso de redes ópticas, patrones de luz láser que mantienen átomos en disposiciones similares a las de un cristal. Al modificar la disposición y las interacciones, los investigadores pueden estudiar cómo se comportan conjuntos de partículas en condiciones controladas.
Chen Weibiao señaló como posibles áreas de investigación las transiciones de fase cuánticas, el comportamiento de muchas partículas cuánticas que interactúan y las pruebas de teorías físicas fundamentales. El proyecto también propone entre sus posibles líneas de trabajo simulaciones relacionadas con el universo temprano, búsquedas de materia oscura ultraligera y estudios sobre modelos de Higgs.
Se trata de experimentos futuros que requieren diseños y mediciones propios. El logro inmediato es una fuente de átomos extremadamente lentos y un periodo prolongado para estudiarlos. Los investigadores también ven posibles aplicaciones en sensores cuánticos y relojes atómicos en el espacio.
Lü Congmin, diseñador jefe del sistema de aplicaciones espaciales del programa espacial tripulado de China y subdirector del centro de utilización del espacio, invitó a investigadores de todo el mundo a realizar experimentos en las instalaciones y compartir oportunidades experimentales. No se anunció un calendario para las solicitudes ni una fecha para los experimentos de seguimiento propuestos.
Ketterle describió el logro como «un excelente punto de partida para avanzar en la termometría atómica y las mediciones de precisión». La termometría atómica, es decir, la medición de la temperatura en sistemas atómicos, seguirá siendo también fundamental para comprender y mejorar este tipo de experimentos.
Puntos clave
- El equipo de la estación espacial de China informa que enfrió una nube de átomos de rubidio hasta una temperatura equivalente de 9,7 picokelvin y observó su expansión durante siete segundos.
- El experimento se llevó a cabo en el módulo de laboratorio Mengtian, con una instalación lanzada en 2022.
- La temperatura anunciada es inferior a los 38 picokelvin alcanzados en Bremen en 2021 y a los 52 picokelvin logrados a bordo de la Estación Espacial Internacional en 2022.
- La secuencia de enfriamiento combina trampas ópticas, enfriamiento evaporativo asistido por un gradiente magnético y expansión no adiabática.
- Las futuras investigaciones podrían abarcar simulaciones cuánticas, interferómetros atómicos, mediciones de la gravedad y pruebas de la física fundamental.
