múltiples fermiones, que normalmente no pueden ocupar el mismo estado cuántico, pueden alcanzar un estado conocido como condensado fermiónico, donde todos ellos alcanzan la configuración de menor energía posible. Este es el sexto estado de la materia. Wolfgang Ketterle / MIT / Center for Ultracold Atoms
¿Cuántos estados de la materia hay? Cuando eras joven, probablemente aprendiste sobre los tres más comunes en nuestra experiencia: sólido, líquido y gas. Todos ellos se dan con regularidad aquí en la superficie de la Tierra: las rocas y los hielos son sólidos, el agua y muchos aceites son líquidos, mientras que la atmósfera que respiramos es un gas. Sin embargo, estos tres estados comunes de la materia se basan en átomos neutros; restricciones a las que el Universo no está sujeto.
Si bombardeas cualquier átomo con suficiente energía, expulsarás los electrones de él, creando un plasma ionizado: el cuarto estado de la materia. Pero hay dos estados adicionales de la materia que existen: Los condensados de Bose-Einstein y los condensados fermiónicos, el quinto y sexto estado de la materia. En la actualidad, sólo son alcanzables en condiciones extremas de laboratorio, pero podrían desempeñar un papel importante en el propio Universo. He aquí por qué.
significativamente puede dar lugar a un sólido (hielo) o a un gas (vapor de agua), dependiendo de cuál sea la temperatura y de la rapidez con que se produzca la transición. A temperaturas suficientemente altas, toda la materia basada en átomos se convertirá en un plasma ionizado: el cuarto estado de la materia. Wikimedia Commons / Matthieumarechal
Aquí en la Tierra, todo está formado por átomos. Algunos átomos se unen para formar moléculas; otros átomos existen como entidades independientes. Independientemente del número de átomos de un compuesto químico concreto -agua, oxígeno, metano, helio, etc.-, la combinación de condiciones de temperatura y presión determina si se trata de un sólido, un líquido o un gas.
El agua, más conocida, se congela a bajas temperaturas y presiones modestas, se convierte en líquido a presiones y/o temperaturas más altas, y se convierte en gas a temperaturas aún más altas o presiones muy bajas. Sin embargo, hay una temperatura crítica, por encima de los 374 °C (705 °F), en la que esta distinción se rompe. A bajas presiones, todavía se obtiene un gas; a presiones más altas, se obtiene un fluido supercrítico con propiedades tanto de gas como de líquido. Ir a temperaturas más altas todavía, y usted comenzará a ionizar sus moléculas, creando un plasma: ese cuarto estado de la materia.
a veces, si las temperaturas / energías de las partículas son lo suficientemente altas, crear un estado temporal conocido como un plasma de quark-gluon: donde incluso los protones individuales y los neutrones no pueden formar establemente. Este es el análogo nuclear de un plasma más estándar, en el que los electrones y los núcleos no se unen con éxito para formar átomos estables y neutros. Laboratorio Nacional de Brookhaven / RHIC
Aunque ahí terminan la mayoría de las discusiones sobre los estados de la materia, no es el final de la historia científica. En realidad, ése es sólo el final de la parte atómica de la historia. Para el resto, tenemos que aventurarnos en el mundo subatómico: el mundo de las partículas más pequeñas que el átomo. Ya hemos conocido a una de ellas: el electrón, que es una de las partículas fundamentales del Modelo Estándar.
Los electrones son las partículas con carga negativa de los átomos que orbitan alrededor del núcleo atómico, las mismas que se desprenden a altas energías para formar un plasma ionizado. El núcleo atómico, por su parte, está formado por protones y neutrones, que a su vez están formados por tres quarks cada uno. Dentro de los protones y neutrones, los gluones, así como los pares quark-antiquark, se crean, destruyen, emiten y absorben constantemente dentro de cada una de estas partículas compuestas. Es un mundo subatómico desordenado dentro de cada protón y neutrón.
su giro, pero también lo hacen los gluones, los quarks y antiquarks del mar, y el momento angular orbital también. La repulsión electrostática y la fuerza nuclear fuerte atractiva, en tándem, son las que dan al protón su tamaño, y las propiedades de la mezcla de quarks son necesarias para explicar el conjunto de partículas libres y compuestas de nuestro Universo. Los protones individuales, en general, se comportan como fermiones, no como bosones. APS/Alan Stonebraker
Aquí está el punto clave que nos llevará al quinto y sexto estado de la materia: cada partícula del Universo, no importa si es una partícula fundamental o compuesta, cae en una de dos categorías.
- Fermión. Se trata de una partícula que, cuando medimos su espín (o momento angular intrínseco), siempre obtenemos valores cuantificados en valores semienteros de la constante de Planck: ±1/2, ±3/2, ±5/2, etc.
- Bosón. Es una partícula que, cuando medimos su espín, siempre obtenemos valores cuantificados en valores enteros de la constante de Planck: 0, ±1, ±2, etc.
Eso es todo. En todo el Universo conocido, no hay partículas -fundamentales o compuestas- que entren en ninguna otra categoría. Todo lo que hemos medido se comporta como fermión o como bosón.
El modelo obedece a todo tipo de leyes de conservación, pero hay diferencias fundamentales entre las partículas y antipartículas fermiónicas y las bosónicas. E. Siegel / Beyond The Galaxy
Los electrones, al ser partículas fundamentales con espines de ±½, son obviamente fermiones. Los protones y los neutrones, formados cada uno por tres quarks, también tienen espines que sólo pueden ser de ±½, ya que el espín de un quark siempre se opondrá al de los otros dos. Sin embargo, si se unen un protón y un neutrón, se crea una partícula compuesta conocida como deuterón: el núcleo atómico de un isótopo pesado del hidrógeno conocido como deuterio.
Un deuterón, que es un fermión unido a otro fermión, se comporta siempre como un bosón. (¿Por qué? Porque ±½ + ±½ sólo puede ser igual a -1, 0 o +1: los valores de espín para un bosón). Tanto si se trata de partículas fundamentales como de partículas compuestas, los fermiones y los bosones presentan una diferencia clave entre sí. Sí, sus espines son diferentes, pero esa diferencia conduce a una consecuencia asombrosa: los fermiones obedecen el Principio de Exclusión de Pauli; los bosones, no.
incluyendo las moléculas orgánicas y los procesos biológicos, sólo es posible debido a la regla de exclusión de Pauli que rige a los electrones, prohibiendo que dos de ellos ocupen el mismo estado cuántico. Jenny Mottar
El principio de exclusión de Pauli es una de las piedras angulares que se descubrieron en los primeros días de la mecánica cuántica. Afirma que no hay dos fermiones que puedan ocupar exactamente el mismo estado cuántico.
Esto entra en juego cuando empezamos a poner electrones en un núcleo atómico totalmente ionizado. El primer electrón se hundirá en la configuración de menor energía posible: el estado básico. Si se añade un segundo electrón, también intentará bajar al estado de reposo, pero se encontrará con que ya está ocupado. Para minimizar la energía de su configuración, baja al mismo estado, pero necesita tener su espín invertido: +½ si el primer electrón era -½; -½ si el primero era +½. Cualquier otro electrón tiene que pasar a un estado de energía cada vez más alto; no hay dos electrones que puedan tener la misma configuración cuántica exacta en el mismo sistema físico.
corresponden a diferentes estados dentro de un átomo de hidrógeno. Debido a la naturaleza del espín = 1/2 del electrón, sólo dos (estados +1/2 y -1/2) electrones pueden estar en cualquier estado a la vez. PoorLeno / Wikimedia Commons Pero esto no es cierto para los bosones. Se pueden colocar tantos bosones en la configuración del estado básico como se quiera, sin restricciones. Si creas las condiciones físicas adecuadas -como enfriar un sistema de bosones y confinarlos en el mismo lugar físico- no hay límite al número de bosones que puedes meter en ese estado de mínima energía. Cuando se alcanza esta configuración, de muchos bosones todos en el mismo estado cuántico de mínima energía, se ha alcanzado el quinto estado de la materia: un condensado de Bose-Einstein.
El helio, un átomo hecho de dos protones, dos neutrones y cuatro electrones, es un átomo estable hecho de un número par de fermiones, y por tanto se comporta como un bosón. A temperaturas suficientemente bajas, se convierte en un superfluido: un fluido con viscosidad cero y sin fricción entre él mismo o cualquier recipiente con el que interactúe. Estas propiedades son una consecuencia de la condensación de Bose-Einstein. Aunque el helio fue el primer bosón que alcanzó este quinto estado de la materia, desde entonces se ha reproducido para gases, moléculas, cuasipartículas e incluso fotones. Sigue siendo un área de investigación activa en la actualidad.
antes (L), durante (centro) y después (R) de que se complete la transición a un estado BEC. El gráfico muestra instantáneas tridimensionales sucesivas en el tiempo en las que los átomos se condensan desde zonas menos densas de color rojo, amarillo y verde hasta zonas muy densas de color azul a blanco. NIST/JILA/CU-Boulder
Los fermiones, por otra parte, no pueden estar todos en el mismo estado cuántico. Las estrellas enanas blancas y las estrellas de neutrones no se colapsan debido al Principio de Exclusión de Pauli; los electrones de los átomos adyacentes (en las enanas blancas) o los neutrones que lindan entre sí (en las estrellas de neutrones) no pueden colapsar completamente bajo su propia gravedad, debido a la presión cuántica proporcionada por el Principio de Exclusión de Pauli. El mismo principio que es responsable de la estructura atómica impide que estas densas configuraciones de materia colapsen hasta convertirse en agujeros negros; dos fermiones no pueden ocupar el mismo estado cuántico.
Entonces, ¿cómo se puede alcanzar el sexto estado de la materia: un condensado fermiónico? Lo creas o no, la historia de los condensados fermiónicos se remonta a los años 50, con un increíble descubrimiento del físico ganador del Nobel Leon Cooper. El término que querrás recordar lleva su nombre: Pares de Cooper.
electrones cargados cambiarán ligeramente las configuraciones de las cargas positivas en el conductor, haciendo que los electrones experimenten una fuerza relativa ligeramente atractiva. Esto hace que se emparejen para formar pares de Cooper, la primera forma de condensado fermiónico jamás descubierta. Tem5psu / Wikimedia Commons
A bajas temperaturas, todas las partículas tienden a su configuración de energía más baja, la del estado básico. Si se toma un metal conductor y se baja la temperatura lo suficiente, dos electrones de espines opuestos se emparejarán; esta pequeña atracción hará que los electrones se emparejen como una configuración menos energética y más estable que tener todos sus electrones moviéndose individualmente.
Los condensados fermiónicos requieren temperaturas más bajas que los condensados de Bose-Einstein, pero también se comportan como un superfluido. En 1971, se demostró que el helio-3 (con un neutrón menos que el helio estándar) se convertía en un superfluido a temperaturas inferiores a 2,5 milikelvin, la primera demostración de un superfluido en el que participaban sólo fermiones. En 2003, el laboratorio de la física Deborah Jin creó el primer condensado fermiónico de base atómica, aprovechando un fuerte campo magnético junto con temperaturas ultrafrías para llevar a los átomos a este buscado estado.
estados comunes de la materia, a temperaturas extremadamente bajas, pueden surgir condensados, con propiedades físicas únicas. ©Johan Jarnestad/Real Academia Sueca de las Ciencias
Además de los tres estados estándar de la materia -sólido, líquido y gas-, existe un estado de mayor energía, el plasma ionizado, que surge cuando los átomos y las moléculas tienen muy pocos electrones para ser eléctricamente neutros. Sin embargo, a temperaturas ultrabajas, las dos clases fundamentales de partículas, los bosones y los fermiones, pueden condensarse cada una a su manera, creando condensados de Bose-Einstein o fermiónicos, respectivamente: los estados quinto y sexto de la materia.
Para crear un condensado fermiónico a partir de la materia, sin embargo, hay que alcanzar condiciones extraordinarias: temperaturas inferiores a 50 nanokelvin con un campo magnético aplicado que varíe en el tiempo. Sin embargo, en el vasto abismo del espacio, es eminentemente posible que los neutrinos (hechos de fermiones) o la materia oscura (que podrían ser fermiones o bosones) se agrupen para formar sus propios condensados. La clave para desvelar uno de los mayores misterios del Universo podría estar en el más raro y extremo de todos los estados conocidos de la materia.
Sígueme en Twitter. Consulta mi página web o algunos de mis otros trabajos aquí.