El pasado once de septiembre fue reportado en la prestigiada revista Nature por un grupo de investigación japonés el enfriamiento de antimateria formada por átomos de positronio utilizando láseres (ver: K. Shu, “Cooling positronium to ultralow velocities with a chirped laser pulse train”, Nature, 2024).
El enfriar un gas de átomos o moléculas consiste en reducir la velocidad de movimiento de las partículas que lo componen. De hecho, si estas partículas llegaran a quedar inmóviles (lo cual es algo que la mecánica cuántica no permite) tendríamos una temperatura de cero grados absolutos. Para entender lo anterior pensemos en agua colocada en un recipiente, el agua a temperatura ambiente está formada por moléculas de H2O que están en constante movimiento.
Esto es algo que podríamos visualizar con facilidad dejando caer una pequeña gota de tinta china en el agua, podremos ver cómo con el paso del tiempo el tamaño de la gota de tinta lentamente se incrementa, con un celular podríamos tomar fotografías de esta gota cada 10 segundos y podríamos medir la rapidez de expansión en el tiempo de la mancha inicial de tinta.
Si ahora repetimos este experimento, pero usando hielo en lugar de agua podremos constatar que la rapidez de expansión de la gota de tinta sobre la superficie del hielo es mucho menor que la rapidez de expansión de la gota de tinta en agua. De hecho, entre más caliente se encuentre el agua mayor será la rapidez de expansión de la gota de tinta (podemos realizar este experimento con agua fría a 5 grados, y agua caliente a 50 grados, el resultado es notable). Sin embargo, si al calentar el agua excedemos los cien grados centígrados entonces obtendremos vapor de agua, este vapor esta formado por moléculas que se mueven a gran velocidad. La conclusión de esta explicación es reconocer que entre más caliente se encuentre un gas, más rápidamente se mueven los átomos o moléculas que le componen.
Este razonamiento nos lleva a comprender que el proceso de enfriar un gas consiste en disminuir la velocidad de movimiento de los átomos o moléculas que lo componen. De hecho, el investigador francés Claude Cohen Tannoujdi recibió el premio Nobel de física en 1997 por haber usado láseres para enfriar átomos de sodio y de potasio. El nuevo experimento reportado por los investigadores japoneses es novedoso pues utiliza átomos de antimateria para ser enfriados por láser.
Para entender cómo es que la luz de un láser puede disminuir la velocidad de movimiento de un átomo, solo debemos recordar que la luz está formada por pequeñas partículas llamadas “cuantos” o “fotones”.
Podríamos imaginar una pelota de basquetbol que se desplaza en el piso y pensar que es un átomo, ahora podemos usar pelotas de tenis (que representan los fotones de luz) y con cuidado golpear a la pelota de basquetbol hasta lograr inmovilizarla. Esta es precisamente la idea que se lleva a práctica en los experimentos de enfriamiento de átomos utilizando luz láser.