Unidad 3

Los Estados de la materia

Es difícil entender intuitivamente qué significa el Condensado de Bose-Einstein (CBE). En el CBE, todos los átomos se encuentran en el mismo lugar, aunque esto va en contra de todo lo que vemos a nuestro alrededor.
A las temperaturas increíblemente bajas que se necesitan para alcanzar el estado de condensado de Bose-Einstein, se observa que los átomos pierden su identidad individual y se juntan en una masa común que algunos denominan superátomo.

Figura 1

El la figura 1 hemos considerado una visión intuitiva de la estructura de un átomo representando el núcleo (formado por protones y neutrones) por una bolita maciza roja, y la corteza de electrones que lo rodean por una bola hueca roja también. La bola con un punto en el centro constituye un átomo completo eléctricamente neutro.
Estado Sólido: podemos ver que los átomos se hallan dispuestos en un volumen pequeño, se sitúan adyacentes, uno al lado del otro, aunque no en contacto, formando generalmente una estructura.
Estado Líquido: los átomos se encuentran esparcidos en un volumen mayor, sin seguir ninguna estructura. La separación entre cada átomo es mayor que en el sólido.
Estado Gaseoso: los átomos ocupan un volumen mucho mayor. Es el estado en que los átomos están más separados.
Estado de Plasma: sus componentes no son átomos, sino partículas individuales y núcleos de átomos. Parece un gas, pero formado por iones (cationes -núcleos y protones con carga positiva-, neutrones sin carga y electrones -con carga negativa-). Cada componente del estado de plasma está cargada eléctricamente y el conjunto ocupa un gran volumen.
Condensado de Bose-Einstein: todos los átomos se encuentran en un mismo lugar. En la figura 1, la única bola roja representa la posición donde se hayan todos lo átomos, pero no uno sobre otro, sino todos ocupando el mismo espacio físico.
Para hacernos una idea de lo que sería un objeto cotidiano estando en estado de Bose-Einstein, proponemos imaginar que varias personas estuvieran sentadas en la misma silla, no una sentada sobre otra, sino literalmente todas sentadas en la misma silla, ocupando el mismo espacio en el mismo momento.

Una explicación de cómo se forma el CBE es teniendo en cuenta que la temperatura de un sistema es una medida del movimiento de sus átomos. Los átomos, como todas las partículas, son también ondas (dualidad onda-corpúsculo). Están moviéndose continuamente, y cuanto más lento se mueven, su longitud de onda es más larga. Figura 5 En la figura 5 se muestran dos casos. En el primero (el de la izquierda) se encuentra un sistema con átomos en diferentes estados vibratorios, es decir, con diferentes energías. Por eso tienen distintas ondas asociadas a diferentes velocidades. La cubeta de abajo representa el sistema, las franjas horizontales representan los diferentes estados energéticos y los puntos son los átomos situados en estos distintos estados. El segundo sistema (el de la derecha) representa un conjunto de átomos que han sido enfriados hasta llegar a formar un condensado de Bose-Einstein. Todos los átomos tienen la energía más baja del sistema. Dado que para alcanzar el estado de CBE es necesario enfriar muchísimo los átomos, su velocidad disminuye hasta que su longitud de onda se hace tan larga que su onda es casi plana. En este punto, las ondas de todos los átomos enfriados se superponen, formando una única onda y alcanzando el estado de condensado de Bose-Einstein. Por eso se dice que los átomos se encuentran en el mismo lugar, porque todos son descritos por una única onda.