Un estudio teórico muestra que la materia tiende a ordenarse siempre a bajas temperaturas

La interacción de muchos cuerpos entre los espines que constituyen el sistema impondría esa condición de ordenamiento. Una de las consecuencias de esto consiste en que el condensado ideal de Bose-Einstein no puede materializarse

Por José Tadeu Arantes  |  Agência FAPESP – Las transiciones de fase clásicas se rigen según la temperatura. Los ejemplos más conocidos de ello son las transiciones del agua de la fase sólida a la fase líquida y de la fase líquida a la gaseosa. Con todo, cuando la temperatura tiende al cero absoluto, otros parámetros pasan a regir dichas transiciones. Entre ellos, cobran relieve la presión, el campo magnético y el dopaje del material, que introduce desorden en la estructura molecular.

En un artículo intitulado “Unveiling the Physics of the Mutual Interactions in Paramagnets”, y publicado en Scientific Reports, una revista perteneciente al grupo Nature, se aborda este tema desde el punto de vista teórico. Dicho paper es el resultado de debates realizados en laboratorio en el marco de los trabajos de doctorado de sus dos autores principales, Lucas Squillante e Isys Mello, dirigidos por el profesor Mariano de Souza, en el Departamento de Física del Instituto de Geociencias y Ciencias Exactas de la Universidade Estadual Paulista (IGCE-Unesp) con sede en la localidad de Rio Claro, en Brasil. 

Suscriben también el artículo otros dos docentes de la Unesp, Roberto Eugenio Lagos Mónaco y Antonio Carlos Seridonio (este último trabaja en el campus de la localidad de Ilha Solteira de la referida universidad paulista), aparte del profesor Harry Eugene Stanley de la Boston University, en Estados Unidos.

Este estudio contó con el apoyo de la FAPESP mediante una ayuda concedida en el marco del proyecto intitulado “Investigación de las propiedades termodinámicas y de transporte de sistemas electrónicos fuertemente correlacionados”, bajo la conducción de De Souza.

“En los materiales paramagnéticos, siempre existe un diminuto aporte de muchos cuerpos a la energía del sistema. Esta contribución puede considerarse como un pequeño campo magnético local efectivo. Generalmente, tal campo es despreciado debido al hecho de que la energía asociada a este es sumamente pequeña cuando se la compara con la energía asociada a las fluctuaciones térmicas o a los campos magnéticos externos. Empero, cuando la temperatura y el campo magnético externo tienden a cero, los aportes de muchos cuerpos se vuelven bastante significativos”, declaró De Souza a Agência FAPESP.

En este estudio se demostró que, merced a la interacción de muchos cuerpos, la materia siempre tiende a ordenarse a bajas temperaturas. De este modo, el modelo de un gas de espines no interactivos no se materializa en la realidad, pues la interacción de muchos cuerpos entre los espines que constituyen el sistema impondría un ordenamiento.

“Verificamos que en los materiales reales no es posible que exista un punto crítico en el cual se concrete una transición de fase cuántica en campo cero genuina, pues siempre perdura ese campo magnético residual, producto de las interacciones de muchos cuerpos. Debido a esta interacción, en un contexto más amplio, es imposible obtener un condensado de Bose-Einstein ideal”, afirma De Souza.

Cabe recordar entonces que el condensado de Bose-Einstein −a menudo caracterizado como “el quinto estado de la materia”, con la referencia puesta en los cuatro primeros, el sólido, el líquido, el gaseoso y el plasma– se obtiene cuando se enfría la temperatura de un conjunto de átomos casi hasta el cero absoluto. En tales condiciones, las partículas dejan de poseer energía libre para moverse unas con relación a las otras, y pasan a compartir los mismos estados cuánticos y a comportarse como si fuesen una misma partícula.

El condensado de Bose-Einstein, concebido y calculado teóricamente por el físico indio Satyendra Nath Bose (1894 – 1974) y por Albert Einstein (1879 – 1955) en 1924, se concretó experimentalmente siete décadas más tarde, un logro de Eric Cornell, Carl Wieman y Wolfgang Ketterle en el año 1997, utilizando un gas de rubidio ultraenfriado. Por esta realización, los tres científicos se hicieron acreedores al Premio Nobel de Física en el año 2001.

“Nuestro estudio demostró que, aunque un condensado de Bose-Einstein no ideal pueda obtenerse experimentalmente, la condición ideal de la condensación no puede alcanzarse. Sucede que ello supone que las partículas no se perciban, esto es, que no interactúen unas con otras. Y dicha interacción residual siempre sucede, aun en las cercanías del cero Kelvin”, explica De Souza.

“Otro descubrimiento fue aquel que indica que es posible magnetizar adiabáticamente (es decir, sin ganancia o pérdida de calor) el material valiéndose únicamente de esas interacciones mutuas”, añade el investigador.

Puede accederse a la lectura del artículo intitulado Unveiling the Physics of the Mutual Interactions in Paramagnets en el siguiente enlace: www.nature.com/articles/s41598-020-64632-x.