¿Cuál es el sexto estado de la materia?

Un artículo publicado por la NASA el 12 de febrero de 2004:

Hay por lo menos seis: sólidos, líquidos, gases, plasmas, condensados Bose-Einstein, y una nueva forma de materia llamada “condensado fermiónico”, recién descubierta por investigadores financiados por la NASA.

La quinta forma, el condensado Bose-Einstein (BEC), descubierto en 1995, aparece cuando los científicos enfrían unas partículas llamadas bosones hasta alcanzar temperaturas muy bajas. Los bosones fríos se unen para formar una única súper-partícula que es más parecida a una onda que a un ordinario pedazo de materia. Los BECs son frágiles, y la luz viaja muy lentamente a través de ellos.

Ahora tenemos condensados fermiónicos... tan recientes que la mayoría de sus propiedades básicas son desconocidas. Ciertamente, son fríos. Jin creó la sustancia enfriando una nube de 500.000 átomos de potasio-40 hasta menos de una millonésima de grado sobre el cero absoluto. Y ellos probablemente fluyan sin viscosidad. ¿Más allá de eso...? Los investigadores aún están aprendiendo.

"Cuando se encuentra una nueva forma de la materia”, hace notar Jin, “toma un tiempo entenderla”.

Los condensados fermiónicos están relacionados con los BECs. Ambos están compuestos de átomos que se unen a bajas temperaturas para formar un objeto único. En un BEC, los átomos son bosones. En un condensado fermiónico los átomos son fermiones.

¿Cuál es la diferencia?

Los bosones son sociables; les gusta estar juntos. Como regla general, cualquier átomo con un número par de electrones+protones+neutrones es un bosón. Así, por ejemplo, los átomos del sodio ordinario son bosones, y pueden unirse para formar condensados Bose-Einstein.

Los fermiones, por otro lado, son antisociales. No pueden juntarse en el mismo estado cuántico (por el “Principio de Exclusión de Pauli” de la mecánica cuántica). Cualquier átomo con un número impar de electrones+protones+neutrones, como el potasio-40, es un fermión.

El grupo de Jin encontró una forma de esquivar el comportamiento antisocial de los fermiones. Utilizaron un campo magnético cuidadosamente aplicado para que actuara como un “Cupido” de sintonía fina. El campo hace que los átomos solitarios se unan en pares, y la fortaleza de esa unión puede ser controlada ajustando el campo magnético. Los átomos de potasio unidos débilmente retienen algo de su carácter fermiónico, pero también se comportan un poco como los bosones. Un par de fermiones puede unirse a otro par, y a otro y a otro, y eventualmente formar un condensado fermiónico.

Jin sospecha que el sutil emparejamiento de un condensado fermiónico es el mismo fenómeno de emparejamiento que se observa en el helio-3 líquido, un súper-fluido. Los súper-fluidos fluyen sin viscosidad, así que los condensados fermiónicos deberían hacer lo mismo.

Un fenómeno relacionado estrechamente es la superconductividad. En un superconductor, los pares de electrones (los electrones son fermiones) pueden fluir con resistencia cero. Existe un enorme interés comercial en los superconductores porque podrían ser utilizados para producir electricidad en forma más barata y más limpia, y para crear maravillas de alta tecnología como trenes levitantes y computadoras ultra-rápidas. Desdichadamente, los superconductores son difíciles de manejar y de estudiar.

Los condensados fermiónicos podrían ayudar.

El mayor problema hoy en día con los superconductores es que la temperatura más cálida en la que pueden operar es de apenas –135ºC. El nitrógeno líquido o cualquier otro criogénico necesario para enfriar los alambres hace que los aparatos que utilizan superconductores sean caros y abultados. Los ingenieros preferirían trabajar con superconductores a temperatura ambiente.

“La fuerza de unión en nuestro condensado fermiónico, ajustada para masa y densidad, podría corresponder a un superconductor de temperatura ambiente”, hace notar Jin. “Esto hace que sea optimista acerca de que la física fundamental que aprendamos a través de los condensados fermiónicos ayude a otros a diseñar materiales superconductores más prácticos”.