EL QUINTO ESTADO DE LA MATERIA

Colegio Lev VygotskyMateria: QuímicaCurso: 2º HonestosFecha: 04- 2014

Nombre: Juan Salvador Medina

QUINTO ESTADO DE AGREGACION DE LA MATERIAMARCO TEÓRICO

OBJETIVOS• Aprender sobre las características y propiedades del quinto estado de la

materia • Conocer las posibles aplicaciones de este estado tanto en la ciencia como en la

tecnología • Conocer los distintos acontecimientos que llevaron a este descubrimiento

científico. • Incrementar nuestro conocimiento sobre la naturaleza y explicar los

fenómenos ocurren en la materia en condiciones extremas de temperatura.

INVESTIGACIÓN Historia En la década de 1920, Satyendra Nath Bose y Albert Einstein publican conjuntamente un artículo científico acerca de los fotones de luz y sus propiedades. Bose describe ciertas reglas para determinar si dos fotones deberían considerarse idénticos o diferentes. Esta se llama la Estadística de Bose (o a veces la Estadística de Bose-Einstein). Einstein aplica estas reglas a los átomos preguntándose cómo se comportarían los átomos de un gas si se les aplicasen estas reglas. Así descubre los efectos que vienen del hecho de que a muy bajas temperaturas la mayoría de los á tomos están al mismo estado cuántico, que sería el menos energético posible.Tras algunos años de relativo estancamiento, en 1986 Bednorz y Müller descubrieron que una familia de materiales cerámicos, los óxidos de cobre con estructura de perovsquita, eran superconductores con temperaturas críticas superiores a 90 kelvin. Estos materiales, conocidos como superconductores de alta temperatura, estimularon un renovado interés en la investigación de la superconductividad. Como tema de la investigación pura, estos materiales constituyen un nuevo fenómeno que no se explica por las teorías actuales. Y, debido a que el estado superconductor persiste hasta temperaturas más manejables, superiores al punto de ebullición del nitrógeno líquido, muchas aplicaciones comerciales serían viables, sobre todo si se descubrieran materiales con temperaturas críticas aún mayores.Explicación del concepto (Condensado de Bose- Einstein)A la agrupación de partículas en ese nivel inferior se le llama Condensado de Bose-Einstein (BEC, por sus siglas en Ingles), porque la demostración está hecha de acuerdo con las ecuaciones de Einstein. En este estado, una masa de materia con todos sus átomos en un solo nivel se vería algo así (imagen derecha). Esto significa que todos los

átomos son absolutamente iguales. No hay medida que pueda diferenciar uno de otro. Se trata de un estado de coherencia cuántica microscópico.En física, el condensado de Bose-Einstein es el estado de agregación de la materia que se da en ciertos materiales a muy bajas temperaturas. La propiedad que lo caracteriza es que una cantidad macroscópica de las partículas (Una cantidad notable a simple vista) del material pasan al nivel de mínima energía, denominado estado fundamental. El condensado es una propiedad cuántica que no tiene análogo clásico (no se puede explicar por los métodos clásicos). Debido al principio de exclusión de Pauli, sólo las partículas bosónicas pueden tener este estado de agregación: si las partículas que se han enfriado son fermiones, lo que se encuentra es un líquido de Fermi o condensado de Fermiones (el cual es el Sexto estado de la materia). De forma más entendible, debido a que el principio de exclusión de Pauli dice que dos fermiones no pueden ocupar el mismo estado cuántico al mismo tiempo, es decir para que coexistan deben tener al menos uno de sus números cuánticos diferente, los fermiones no podrían estar en este estado de la materia, ya que como hemos mencionado anteriormente, en este estado de la materia las partículas se encuentran en el mismo estado cuántico, el mínimo estado energético, el fundamental, sin embargo los bosones pueden coexistir en el mismo estado cuántico. Explicación del fenómeno que ocurre al reducir la temperatura a nivel crítico A medida que los átomos se enfrían, se comportan más como ondas y menos como partículas. Cuando se enfrían lo suficiente, sus ondas se expanden y comienzan a solaparse, de manera similar a lo que ocurre cuando se condensa el vapor sobre una tapa al hervir. Las moléculas de agua se agrupan para formar una gota de agua, o condensado. Lo mismo ocurre con los átomos, sólo que son sus ondas las que se fusionan. Los condensados de Bose-Einstein son similares a la luz láser. Sin embargo, en vez ser los fotones (tipo de bosón) quienes se comportan de modo uniforme, son los átomos que existen en una perfecta unión. Como una gota de agua condensando, los átomos de baja energía se fusionan para formar una masa densa e indistinguible. En 2011, los científicos recién están comenzando a estudiar las propiedades desconocidas de los condensados de Bose-Einstein. Al igual que con la luz láser, los científicos descubrirán, sin dudas, muchos usos que beneficiarán tanto a la ciencia como a la humanidad.La Superfluidez y Superconductividad, propiedades del condensado. La superconductividad es una propiedad que adquieren los átomos de un material en este estado de la materia. En ésta son los pares de Cooper (asociaciones de una pareja de electrones, los mismos que son leptones, que a su vez son fermiones) los que se

comportan como un bosón y decae al nivel fundamental. La superconductividad está caracterizada por la ausencia de resistencia eléctrica.La superfluidez es otra propiedad de los condensados, por ejemplo el Helio cuando se enfría se licúa, si seguimos enfriando los átomos de Helio (que son bosones) descienden al nivel de mínima energía, el 0 Kelvin. Esto hace que los átomos no adquieran energía por fricción, lo que hace que no se disipe energía por movimiento. El resultado es un plano horizontal infinitamente estrecho; como lo que pasa en el interior de las supernovas cuando su periodo vital se agota y se transforman en agujeros negros.La resistividad eléctrica de un conductor metálico disminuye gradualmente a medida que la temperatura se reduce. Sin embargo, en los conductores ordinarios, como el cobre y la plata, las impurezas y otros defectos producen un valor límite. Incluso cerca de cero absoluto una muestra de cobre muestra una resistencia no nula. La resistencia de un superconductor, en cambio, desciende bruscamente a cero cuando el material se enfría por debajo de su temperatura crítica. Una corriente eléctrica que fluye en una espiral de cable superconductor puede persistir indefinidamente sin fuente de alimentación. Al igual que el ferromagnetismo y las líneas espectrales atómicas, la superconductividad es un fenómeno de la mecánica cuántica.La superconductividad ocurre en una gran variedad de materiales, incluyendo elementos simples como el estaño y el aluminio, diversas aleaciones metálicas y algunos semiconductores fuertemente dopados. La superconductividad no ocurre en metales nobles como el oro y la plata, ni en la mayoría de los metales ferromagnéticos.Obtención en laboratorioEric Cornell y Carl Wieman lograron en 1995 por primera vez, enfriar átomos al más bajo nivel de energía, menos de una millonésima de Kelvin por encima del cero absoluto, una temperatura muy inferior a la mínima temperatura encontrada en el espacio exterior. Utilizaron el método de enfriamiento por láser, haciendo que la luz rebote en los átomos con más energía que su impacto sobre los mismos. Cuando los fotones rebotan en el átomo, el electrón en el átomo que absorbe el fotón salta a un nivel superior de energía y rápidamente salta de regreso a su nivel original, expulsando el fotón de nuevo, logrando el descenso de su temperatura.Para que ello suceda se necesita el color (o frecuencia) exacta de láser para la clase de átomo a enfriar. Finalmente, la sustancia se enfría aún más con la evaporación magnética de los átomos con más energía. Consiste en dejar escapar del confinamiento magnético a los átomos más energéticos, que al hacerlo se llevan consigo más energía de la que le corresponde, logrando así dejar dentro los de más baja temperatura.Aplicaciones y perspectivas a futuro:La condensación de Bose-Einstein se va perfilando como un nuevo campo de la Física donde el control del comportamiento cuántico de la materia a escala macroscópica abre un inmenso abanico de aplicaciones tales como el desarrollo de interferometría

atómica ultraprecisa, la obtención de relojes atómicos mucho más estables que los actuales, y el empleo de láseres de átomos para diseñar nanoestructuras con extraordinaria precisión.Recientemente el grupo de Colorado ha demostrado que en 85Rb es posible generar fuerzas atómicas repulsivas y atractivas produciendo la disolución del condensado, lo Que permitiría reproducir condiciones extremas cruciales para comprender algunos procesos físicos que tienen lugar en el interior de las estrellas enanas, o incluso en la vecindad de los agujeros negros.Por otro lado ya ha comenzado la carrera por la creación de gases de átomos fermiónicos cuánticamente degenerados, lo cual requiere también temperaturas ultrabajas. Si bien los fermiones se comportan completamente distinto a los bosones, parecen constituir una fuente igualmente excitante de la nueva física que se viene.Las posibilidades que ofrecen este tipo de condensados son extraordinarias. Últimamente, como ejemplo, se habla de un experimento que podría comprobar algunas predicciones de la física de Supercuerdas, la rama de la física que intenta unificar todas las fuerzas de la naturaleza.Actualmente ya se consiguen condensados de más de 20 millones de átomos. Si imaginamos un condensado con dos millones de átomos, haciendo incidir un láser suficientemente localizado, podremos dividirlo en dos mitades y separarlas por completo. Podríamos suponer que un millón de átomos están en un paquete y el resto en el otro, pero la física cuántica nos dice que cada uno de los dos millones de átomos está en los dos sitios a la vez, siempre que no intentemos medir su número en cada paquete. Si lo hacemos destruiremos la coherencia entre las dos partes de la onda atómica y tendremos que hablar de dos condensados completamente independientes.EJEMPLOSEn junio de 1995, en el Instituto JILA (Joint Institute for Laboratory Astrophysics) de, Boulder, Colorado se creó una minúscula gota formada por 2000 átomos de rubidio enfriados hasta una temperatura de 100 milmillonésimas de grado sobre el cero absoluto. Durante 10 segundos se consiguió que perdieran su identidad individual y se comportaran como si fuesen un solo “superátomo”. Sus ecuaciones de onda individuales, que describen su posición y velocidad, se fundieron en una sola y los átomos se volvieron indistinguibles entre sí.

CONCLUSIONES El estado de Bose- Einstein es un estado de mínima energía denominado así ya

que se comprueba por las ecuaciones de Einstein, el mismo que las formulo basándose en la Estadística de Bose

El Condensado de Bose Einstein, se da solo en materiales con bosones, debido a que estos pueden coexistir en el mismo estado cuántico.

La Suprefluidez y superconductividad son propiedades del BEC El quinto estado de la materia es un estado del cual aún no se conoce mucho,

sin embargo sus múltiples aplicaciones podrían mejorar enormemente la vida cotidiana, con múltiples beneficios ligados a la superfluidez y superconductividad.