ganó el premio en 2001

El Nobel de Física que ha enfriado los átomos hasta el cero absoluto

Átomos ultrafríos que crean inimaginables estados de la materia, relojes atómicos cada vez más precisos… Wolfgang Ketterle habla del presente y futuro de la disciplina

Foto: (Fundación Ramón Areces)
(Fundación Ramón Areces)

"Quiero enseñaros algo sobre ciencia, pero también quiero mostraros su belleza. Siento que la ciencia y sus descubrimientos son un logro cultural comparable a lo que pintores y compositores consiguen. En este sentido, esta tarde quiero tocar una pieza de física para vosotros". Wolfgang Ketterle comenzaba así el pasado miércoles 10 de mayo su conferencia sobre los usos de la luz, invitado por la Fundación Ramón Areces y la Real Sociedad Española de Física, y prometiendo al público desde el principio que iba a disfrutar. Y así fue.

Pero, antes de eso, nos concedió una entrevista en la que respondió sobre la física atómica con emoción y entrega, como si fuera la primera vez que hablara de sus estudios y siguiera maravillándose. En realidad, Ketterle (Alemania, 1957) lleva cerca de cuarenta años investigando y enseñando ciencia. Profesor de física en el Instituto Tecnológico de Massachusettsy director del Centro de Átomos Ultrafríos en el National Science Foundation, experimentó durante su trayectoria académica con diferentes ramas de la física, hasta enamorarse de aquella que estudia las propiedades y el comportamiento de los átomos.

Sus resultados han sido premiados con muchos galardones, entre los que brilla el Nobel de Física 2001 por lograr materializar el condensado de Bose-Einstein, un estado que adopta la materia al ser enfriada casi hasta el cero absoluto; es decir, aproximadamente a -273,16°C. Su último descubrimiento es un nuevo estado de la materia conocido como supersólido, que pronostica grandes avances en la superconductividad.

Pregunta. De entre todas las áreas de la física, ¿por qué la atómica?

Respuesta. La verdad es que fue un amor tardío. Al principio, cuando estaba en la universidad, pensaba que quería trabajar en la industria y desarrollar productos. Después cambié de rumbo y me interesé por la física teórica, en la que hice mi tesis, pero entonces empezó a preocuparme que esta rama estuviera muy alejada del mundo real y pasé a los experimentos durante un tiempo, trabajando en espectroscopia molecular. Fui de físico industrial a teórico, y después experimental. Así aprendí a conocerme y concluí que quería dedicarme a la investigación básica: me fascina trabajar en algo que no tiene límites. Además, también quería utilizar mis conocimientos prácticos sobre espectros y láseres, y la física atómica me dio esa posibilidad.

(Fundación Ramón Areces)
(Fundación Ramón Areces)

P. Dentro de esa rama, se especializó en los átomos ultrafríos.

R. Empecé a estudiarlos en los noventa, y nunca llegué a pensar que su investigación pudiera volverse tan emocionante unos años después. Trabajábamos con láseres para enfriar los átomos, ya que la luz láser puede reducir muchísimo la temperatura de la materia. En 1995, conseguimos enfriar átomos de sodio a menos de una millonésima de Kelvin por encima del cero absoluto, y así observamos por primera vez el condensado de Bose-Einstein, predicho por Satyendra Nath Bose y Albert Einstein en los años veinte. Este condensado es un gas que presenta superfluidez, es decir, tiene ausencia total de viscosidad. Por ejemplo, si el café que tomas para desayunar fuera un superfluido y lo removieras, continuaría girando eternamente.

P. Ese fue el hallazgo que le valió el Premio Nobel de Física. ¿Qué implicaciones tuvo?

R. Con el descubrimiento del condensado de Bose-Einstein encontramos una forma muy especial de materia. Había tantas preguntas que nos hacíamos y que queríamos resolver: ¿qué está pasando?, ¿cómo podemos observar la superfluidez?, ¿cómo se comporta un condensado superfluido? Primero teníamos que escribir la teoría.

Fueron años y años de investigación fascinante al respecto, en los que desarrollamos formas novedosas para enfriar, y obtuvimos gases y materiales más fríos de lo que nunca antes se había logrado. Por tanto, el condensado de Bose-Einstein significó descubrir nuevos materiales y nuevos métodos de enfriamiento, profundizar en los principios de la materia, y tener una guía para encontrar nuevos materiales en el futuro. Su descubrimiento supuso un antes y un después en la física atómica.

(Fundación Ramón Areces)
(Fundación Ramón Areces)

P. ¿Se tradujo esto en aplicaciones más prácticas?

R. Los materiales que estudiamos solo existen en la cámara de vacío, no podemos sacarlos al mundo real; pero sí podemos extraer la comprensión que obtenemos de ellos. Por otro lado, hay aplicaciones directas del condensado de Bose-Einstein y de los métodos de enfriamiento en computación cuántica y en metrología, la rama de la física que estudia las mediciones. Por ejemplo, se están utilizando átomos ultrafríos para hacer mediciones muy precisas del tiempo. Los relojes atómicos más rigurosos están basados en estas partículas, y ahora se está planeando usarlos en exploración geológica. Quizá descubramos nuevos campos petrolíferos observando el tictac de un reloj atómico hecho con átomos ultrafríos. Tenemos que estar preparados para muchas sorpresas.

P. Por ejemplo, ha sido una sorpresa descubrir los supersólidos en su última investigación. ¿Qué tienen de especial?

R. Hemos encontrado una nueva forma de materia que no se había visto antes y que tiene una característica muy particular: presenta el estado sólido y superfluido a la vez. ¿Cómo puede ser? Hay que empezar por la definición de sólido. Intuitivamente, la gente diría que un sólido es algo que puedes golpear. Pero en el mundo físico definimos un sólido diciendo que tiene forma.

Hemos encontrado una nueva forma de materia que no se había visto antes: presenta el estado sólido y superfluido a la vez

Por otro lado, el condensado de Bose-Einstein es un superfluido y en su estructura hay una especie de onda. Lo que hemos hecho ha sido manipular el condensado utilizando métodos de enfriamiento para que esa onda tenga forma y cumpla así propiedades que sólo verifican los sólidos. El resumen parece fácil, pero es un proceso muy complicado.

P. ¿En qué podrá aplicarse esta nueva forma de materia?

R. Los estudios sobre supersólidos podrían ayudar a profundizar en la comprensión de los superfluidos y los superconductores, dos fenómenos que guardan relación. Los superconductores, aquellos materiales que en ciertas circunstancias no poseen resistencia eléctrica, tienen un enorme potencial práctico, y son claves para la mejora en las tecnologías, como en el transporte de energía eficiente o en telefonía móvil. En cualquier caso, la investigación básica siempre abre puertas directa o indirectamente. Por ejemplo, cuando se descubrió el láser se dijo que era "una solución en busca de un problema"; inmediatamente empezaron a surgir ideas para utilizarlo. Preveo que con esto pasará lo mismo.

(Fundación Ramón Areces)
(Fundación Ramón Areces)

P. Aparte de átomos enfriados a temperaturas cercanas al cero absoluto, ha estudiado el concepto de temperatura negativa. ¿Qué significa?

R. Primero hay que entender que el cero absoluto implica lo que su propio nombre indica: cero absoluto. Es decir, la temperatura no puede disminuir más, ya que es una medida de energía y, por tanto, cero temperatura implica cero energía. En el otro extremo del eje, ciertas sustancias pueden alcanzar temperatura infinita. Cuando a esta le añadimos aún más y vamos a los estados más altos de energía, la llamamos temperatura negativa. Así, es más caliente que la infinita y, desde luego, está muy lejos del cero absoluto. Es interesante saber que las temperaturas negativas comparten propiedades con la energía oscura: ambas están relacionadas con la presión negativa.

P. Hablando de presión, ¿cómo cambió su vida cuando ganó el Nobel?

R. Afortunadamente, cambió en un porcentaje muy pequeño, que es el tiempo que dedico a dar entrevistas o conferencias. De hecho, soy uno de los Nobeles que menos invitaciones acepta. Cuando me dieron el premio, mi vida estaba dedicada a mi familia, mis cinco hijos y mi investigación, y no quería que eso cambiara. Sigo estando con ellos, con mis alumnos y con mi equipo, y sigo haciendo lo que me encanta.

P. Una de las cosas que le encanta es correr. ¿Practicar running le ayuda a investigar?

R. Definitivamente. Si me despierto y salgo a correr, después me siento más enérgico. Desafiar a tu cuerpo físicamente limpia tu mente y te hace más eficiente. Además, el running me ayuda a mantener un equilibrio en mi vida, me relaja. Cuando tenía 20 años empecé a correr maratones, pero después me centré demasiado en mi otra carrera y casi lo dejé. A los 50 me dije, ahora o nunca, y volví a lanzarme. Debería haber empezado de nuevo antes, creo que correr da muchísimos beneficios.

P. La ciencia también corre y avanza cada vez más rápido. ¿Hacia dónde cree que se dirige el futuro de la física atómica?

R. Basándome en las investigaciones actuales, estoy seguro de que descubriremos nuevos materiales, ahondaremos en el conocimiento de la materia, y entenderemos la superconductividad de una manera más profunda. También se desarrollarán relojes atómicos más precisos y sensores de gravedad más potentes, y se mejorarán enormemente los ordenadores cuánticos. Hay muchos descubrimientos fascinantes que ya están ocurriendo y que van a ocurrir. La física atómica se muestra muy prometedora.

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