Una nube de 20.000 átomos establece un nuevo récord
Investigadores chinos enfriaron unos 20.000 átomos de rubidio a bordo de la estación espacial Tiangong hasta una temperatura equivalente de 9,7 picokelvin, es decir, 9,7 billonésimas de grado por encima del cero absoluto. Después, el equipo siguió la expansión de la nube liberada durante siete segundos, lo que amplió el tiempo disponible para estudiar la física cuántica y desarrollar mediciones precisas de la gravedad.
Contenido
- Una nube de 20.000 átomos establece un nuevo récord
- ¿Qué significa 9,7 picokelvin?
- Cómo los átomos empiezan a comportarse como una sola onda
- Enfriamiento con luz y escape controlado
- Por qué la órbita permite observar durante siete segundos
- Un laboratorio reducido al tamaño de un armario
- Las observaciones más prolongadas podrían mejorar las mediciones de la gravedad
- Las trampas láser abren vías para otros experimentos cuánticos
- El próximo desafío es construir un instrumento útil
- Puntos clave
El resultado, descrito en el artículo Quantum gases below 10 picokelvin in space, publicado en línea en Science el 5 de noviembre de 2026, rebaja el récord anterior publicado, de 38 picokelvin, alcanzado en un experimento alemán en 2021. El Laboratorio de Átomos Fríos de la NASA, a bordo de la Estación Espacial Internacional, había alcanzado antes los 52 picokelvin.
La Academia China de Ciencias presenta el logro en su anuncio sobre enfriamiento atómico como un récord, según el equipo de investigación. El trabajo se llevó a cabo en el módulo de laboratorio Mengtian de Tiangong, a cargo de investigadores de la Universidad de Pekín, el Instituto de Óptica y Mecánica Fina de Shanghái y el Centro de Tecnología e Ingeniería para la Utilización del Espacio de la academia.
La estimación central viene acompañada de un intervalo de incertidumbre de entre 7,0 y 12,9 picokelvin. Los científicos la calcularon a partir de la velocidad a la que se expandió la nube tras ser liberada. La temperatura corresponde al movimiento de expansión de los átomos; el equipo, la nave espacial y los dispositivos circundantes funcionaban a temperaturas mucho más altas.
Siete segundos pueden parecer poco, pero los átomos liberados en un laboratorio común desaparecen rápidamente de la vista. El entorno de Tiangong permitió que la nube se expandiera lentamente mientras flotaba respecto del aparato, lo que dio a los investigadores tiempo para medir un comportamiento difícil de observar en la Tierra.
¿Qué significa 9,7 picokelvin?
El cero absoluto es cero kelvin, equivalente a menos 273,15 grados Celsius. La escala kelvin comienza en ese límite inferior, por lo que resulta útil para comparar temperaturas extremadamente bajas. Un picokelvin es la billonésima parte de un kelvin.
Los 9,7 picokelvin publicados corresponden a una temperatura efectiva o equivalente. Los investigadores fotografiaron la nube en expansión desde dos direcciones, midieron su velocidad de expansión en tres dimensiones y expresaron como temperatura la energía asociada a ese movimiento. Cuanto más lentamente se expande una nube, menor es su temperatura equivalente.
La tenue radiación que quedó del Big Bang tiene una temperatura de unos 2,7 kelvin. Al dividir esa cifra por 9,7 billonésimas de kelvin se obtiene aproximadamente 280.000 millones, base para describir la nube de átomos como unas 280.000 millones de veces más fría que la radiación de fondo del universo.
El récord anterior, de 38 picokelvin, equivale a unas 3,9 veces la nueva estimación central. Los experimentos utilizaron trampas y procedimientos de enfriamiento diferentes, por lo que la comparación numérica es aproximada. El resultado de Tiangong todavía no se ha reproducido de forma independiente.
Cómo los átomos empiezan a comportarse como una sola onda
Los investigadores prepararon rubidio-87, una forma específica del elemento rubidio, en un condensado de Bose-Einstein. Este estado, llamado a menudo el quinto estado de la materia, aparece cuando muchos átomos ocupan el mismo estado cuántico y se comportan colectivamente.
Satyendra Nath Bose y Albert Einstein desarrollaron las ideas que explican este fenómeno en la década de 1920. Los científicos produjeron por primera vez un condensado de Bose-Einstein en un gas atómico diluido en 1995. En la actualidad, estos condensados permiten a los físicos examinar el comportamiento cuántico en conjuntos de átomos lo bastante grandes como para obtener imágenes.
La mecánica cuántica describe la materia como algo que tiene propiedades de onda además de propiedades de partícula. En un condensado, esas propiedades ondulatorias se organizan en toda la nube. Así, los investigadores pueden manipular una onda de materia compartida en lugar de intentar seguir miles de movimientos atómicos sin relación entre sí.
Enfriamiento con luz y escape controlado
El experimento de Tiangong comenzó con unos 2 millones de átomos de rubidio. Haces de láser cruzados formaron una trampa de dipolo óptico, una región donde la luz mantenía los átomos en su sitio. Al reducir la potencia del láser, la trampa se debilitó y permitió escapar a los átomos con más energía.
Este proceso se denomina enfriamiento evaporativo. Sigue el mismo principio general que enfría una bebida cuando sus moléculas más energéticas se escapan por evaporación: las partículas restantes tienen menos energía en promedio.
Antes de las etapas finales de enfriamiento, el experimento produjo unos 20.000 átomos a cerca de 3 nanokelvin. Las cifras intermedias más detalladas sitúan la muestra en unos 23.000 átomos y 3,1 nanokelvin, con aproximadamente un 89 % en el estado cuántico compartido del condensado. Estas cifras corresponden a una etapa de preparación anterior a la medición final de expansión.
La microgravedad planteó una dificultad propia. En la Tierra, la gravedad ayuda a dirigir los átomos con más energía hacia una vía de escape de la trampa. Sin esa fuerza hacia abajo respecto del aparato, la evaporación pierde eficiencia. Los investigadores añadieron un gradiente magnético débil, es decir, un campo magnético que varía según la posición, para facilitar la eliminación de los átomos energéticos.
La nube restante se trasladó a una trampa óptica más amplia y débil. El procedimiento final redujo el confinamiento durante unos 1,175 segundos e incluyó una expansión no adiabática, un cambio en la trampa que modificó el movimiento de la nube. Tras ser liberados, los átomos se expandieron con una energía equivalente a 9,7 picokelvin.
Por qué la órbita permite observar durante siete segundos
Tiangong sigue bajo la gravedad terrestre. Su aparente ingravidez se debe a que está en caída libre continua alrededor del planeta: la estación, el aparato y los átomos caen juntos. Los científicos llaman microgravedad a este entorno.
En tierra, una trampa muy débil tiene dificultades para retener los átomos frente a la gravedad. Reforzar el confinamiento ayuda a mantenerlos dentro, pero dificulta el enfriamiento final. En órbita, los investigadores pueden aflojar mucho más la trampa sin que la nube salga del espacio experimental.
Wolfgang Ketterle, profesor de física del Instituto de Tecnología de Massachusetts y ganador del Nobel de 2001, explicó el problema práctico que supondría observar durante siete segundos en la Tierra:
En la Tierra, caería unos 250 metros, así que chocaría contra el suelo a menos que se tuviera una cámara de vacío de 250 metros de altura
Las comparaciones útiles dependen del aparato. En experimentos terrestres comunes descritos por los investigadores, se podía observar una nube liberada durante unos 0,05 segundos. El experimento anterior con una torre de caída logró unos dos segundos de expansión libre. Por tanto, los siete segundos de Tiangong equivalen a unas 140 veces el tiempo de un laboratorio común y a 3,5 veces el de la observación anterior en una torre.
El experimento que estableció el récord de 2021 en la Universidad de Bremen utilizó una torre de caída para generar ingravidez temporal. La órbita prolonga esa oportunidad porque el experimento sigue cayendo alrededor de la Tierra en vez de llegar al fondo de una torre.
Un laboratorio reducido al tamaño de un armario
La plataforma de física de átomos fríos ocupa unos 0,7 metros cúbicos y pesa aproximadamente 500 kilogramos. Su equivalente terrestre ocupaba unos 20 metros cúbicos y pesaba cerca de 10 toneladas. El instrumento espacial utiliza aproximadamente una vigesimonovena parte del volumen y una vigésima parte de la masa.
La plataforma integra láseres, óptica de precisión, un sistema de vacío ultraalto y controles automatizados. El vacío evita que partículas de gas dispersas choquen con los átomos ultrafríos, mientras que los controles mantienen la secuencia cuidadosamente cronometrada que se necesita para preparar y liberar la nube.
Li Tang, investigador del Instituto de Óptica y Mecánica Fina de Shanghái, describió una tarea de alineación de más de 20 haces láser. Debían coincidir en una nube atómica de apenas unas decenas de micrómetros de diámetro, con un error no superior a cinco micrómetros. Un micrómetro equivale a una milésima de milímetro.
El instrumento también debía resistir el lanzamiento, funcionar dentro de los límites de energía de la nave y mantener su precisión en órbita. El desarrollo se extendió durante unos 15 años, desde los primeros estudios de viabilidad hasta la publicación del resultado.
- 2011: Comenzó la evaluación inicial de la instalación espacial.
- 2021: Un experimento con la torre de caída de Bremen alcanzó el récord anterior, de 38 picokelvin.
- 2022: La instalación china fue lanzada a bordo del módulo de laboratorio Mengtian.
- 5 de noviembre de 2026: El artículo del equipo de Tiangong se publicó en línea en Science.
Las observaciones más prolongadas podrían mejorar las mediciones de la gravedad
Los interferómetros atómicos son algunos de los instrumentos que podrían beneficiarse del experimento. Dividen la onda de materia de un átomo en diferentes trayectorias y luego las vuelven a unir. Las diferencias acumuladas durante el recorrido producen una señal de interferencia que puede revelar aceleraciones diminutas o efectos gravitatorios.
Ernst M. Rasel, profesor de física de la Universidad Leibniz de Hannover, en Alemania, cuyo equipo logró el récord de temperatura anterior, describió la combinación necesaria para realizar estas mediciones:
Los interferómetros atómicos se benefician mucho de fuentes que proporcionan un gran número de átomos en un conjunto ultrafrío y tiempos de observación prolongados
Rasel explicó que la sensibilidad aumenta con el cuadrado del tiempo que los átomos pasan en el interferómetro. Por ello, prolongar las mediciones puede producir una mejora mucho mayor que un aumento proporcional equivalente del tiempo.
El siguiente paso que señaló es un interferómetro en órbita que mantenga las ondas atómicas separadas de forma coherente durante varios segundos. La coherencia significa que las ondas conservan la relación necesaria para producir una señal útil al reunirse. Los siete segundos de observación de la nube ofrecen un punto de partida para desarrollar esa capacidad.
Estos instrumentos podrían medir variaciones en el campo gravitatorio terrestre o mejorar las mediciones del movimiento de las naves espaciales. También podrían comparar la caída de distintos tipos de átomos para poner a prueba el principio de equivalencia, fundamento de la teoría general de la relatividad de Einstein. Este principio establece que los objetos caen de la misma manera bajo la gravedad, con independencia de su masa o composición, cuando se eliminan otras fuerzas.
Las trampas láser abren vías para otros experimentos cuánticos
El equipo de Tiangong eligió las trampas ópticas en lugar de las trampas magnéticas con chips atómicos utilizadas en experimentos anteriores que establecieron récords. Retener los átomos con luz reduce algunas de las limitaciones asociadas a las trampas magnéticas y permite disponer de espacio para organizar patrones láser más complejos.
Una posible configuración es una red óptica. Haces láser que se cruzan crean un patrón repetitivo capaz de mantener los átomos en una estructura ordenada parecida a un cristal. Los investigadores pueden modificar esa estructura y controlar cómo interactúan los átomos.
Este método permite la simulación cuántica: utilizar un sistema cuántico controlable para investigar otro que resulta más difícil de estudiar directamente. En vez de calcular todas las interacciones de un material complejo, los científicos pueden construir un modelo atómico y observar su comportamiento.
La Academia China de Ciencias también señala como posible línea de investigación el estudio de modelos de materia oscura. Algunas propuestas se refieren a partículas hipotéticas ultraligeras cuyos efectos podrían buscarse mediante mediciones cuánticas sensibles. El mapeo de la gravedad, la navegación, la simulación cuántica y la búsqueda de materia oscura son posibles aplicaciones para futuros desarrollos.
El próximo desafío es construir un instrumento útil
Los investigadores de la Universidad de Pekín Xiong Wei y Jin Shengjie, coautores principales del artículo, describen las observaciones más prolongadas como una forma de aumentar las posibilidades de detectar fenómenos físicos más débiles. Mantener una nube fría y visible sienta las bases de experimentos que también deben manipularla con precisión.
El número de átomos será tan importante como la temperatura. Una nube de unos 20.000 átomos resulta útil para estudiar el comportamiento cuántico colectivo, mientras que muchas mediciones de precisión se benefician de muestras más grandes. Los investigadores aún deben determinar con qué regularidad la instalación puede combinar nubes más grandes, una expansión muy lenta y una coherencia duradera.
El sistema óptico ofrece al equipo varias herramientas ajustables: la intensidad de la trampa, la geometría de los láseres, los gradientes magnéticos y el momento de la liberación. Convertir esos controles en un instrumento de medición fiable requerirá experimentos repetidos y mediciones cuidadosas de las perturbaciones.
Ketterle describió el logro como «un excelente punto de partida para avanzar en la termometría atómica y las mediciones de precisión». El avance inmediato es concreto: una nube atómica que se expande más lentamente, medida durante siete segundos en un sistema experimental que funciona en órbita.
Puntos clave
- Investigadores a bordo de Tiangong informaron de una temperatura atómica equivalente de 9,7 picokelvin, con un intervalo de incertidumbre de 7,0 a 12,9 picokelvin.
- El resultado se obtuvo a partir de la expansión de unos 20.000 átomos de rubidio preparados como un condensado de Bose-Einstein.
- El récord anterior publicado era de 38 picokelvin, alcanzado en un experimento alemán con una torre de caída.
- El equipo observó durante siete segundos la nube en expansión libre en condiciones de microgravedad.
- La instalación fue lanzada con Mengtian en 2022, después de un trabajo de desarrollo iniciado en 2011.
- Las investigaciones futuras podrían desarrollar interferómetros atómicos, mediciones de la gravedad, simulaciones cuánticas y pruebas de física fundamental.
