mente bajas, los bosones tienden a ocupar el mismo estado cuántico. De hecho, la superfluidez del 4He líquido se debe a que, en ausencia de energía térmica, todos sus átomos se comportan de forma coherente, como lo hace un gas de bosones a temperaturas próximas al cero abso- luto [véase “Mecánica cuántica de los condensados de Bose-Einstein”, por Arturo Polls, Jordi Boronat y Ferran Mazzanti, INVESTIGACIÓN Y CIENCIA, febrero de 2001]. El 3He líquido se torna también superfluido, pero a temperaturas mucho menores que el 4He, por debajo de 2,7 mi- likelvin. La superfluidez del 3He se relaciona con la formación de pares de átomos, análogos a los pares de electrones responsables de la super- conductividad en ciertos metales.
Gotas nanoscópicas
En el laboratorio se experimenta con muestras de unos milímetros o centímetros cúbicos de helio, que
contienen del orden de 1018 a 1021 átomos. Se trata, pues, de sistemas macroscópicos. Los físicos se inte- resan por los cambios que sufren las propiedades del helio líquido cuando el tamaño de la muestra disminuye, hasta llegar incluso a dos átomos. Cuando el número de átomos de helio es inferior a 107, las dimensiones de la muestra se encuentran en el do- minio de los nanómetros; el sistema recibe el nombre de nanogota. Su estudio reviste interés no sólo con- ceptual, sino también práctico.
A finales de los años ochenta y principios de los noventa, se descubrió que las nanogotas de helio capturan con facilidad átomos o moléculas que hallen a su paso. Este fenómeno atrajo el interés de los químicos, quienes vieron en las gotas de helio el labo- ratorio idóneo para la espectroscopía
molecular de alta resolución. A su vez, los espectros de las moléculas capturadas revelan cuestiones básicas sobre la estructura de las gotas.
Los átomos de los gases nobles (helio, neón, argón, etc.) presentan una estructura electrónica de capas cerradas, que les confiere estabilidad química, o poca reactividad. La es- tructura del helio (dos electrones que llenan la primera capa) constituye la más estable de todas ellas. La inte- racción entre dos átomos de helio se debe a la polarización que la carga de un átomo induce en la del otro. Resul- ta notablemente repulsiva cuando la distancia que los separa es inferior a 2,5 angstrom; a distancias ligeramente superiores, los átomos experimentan una débil atracción de unos 10 K, que disminuye rápidamente a medida que aumenta la separación. C O R T E S IA D E F R A N K S T IE N K E M E IE R , U N IV E R S ID A D D E B IE L E F E L D
1. DISPOSITIVO EXPERIMENTAL utilizado para la producción, dopaje y detección de gotas de helio.
Debido a su reducida masa, la energía del punto cero (estado de mínima energía, nunca nula, que pueden adoptar los átomos de un sistema cuántico) de un átomo de helio viene a ser del mismo orden que la energía de atracción entre dos de ellos. A consecuencia de este delicado balance energético, di- chos átomos se hallan en constante movimiento (lejos de estabilizarse en sus posiciones de equilibrio); por tanto, el helio permanece lí- quido incluso en el cero absoluto. Los cálculos teóricos indican que esta situación se mantiene incluso para agregados de un número muy pequeño de átomos de helio. No ocurre lo mismo en los otros ga- ses nobles. Por un lado, su mayor masa atómica se traduce en una menor energía del punto cero (ambas magnitudes dependen inversamente la una de la otra); por otro, la atrac- ción entre dos átomos es mayor que en el caso del helio.
El balance energético favorece la localización de los átomos: los agre- gados de estos elementos adoptan una estructura cuasicristalina. Así,
ca. El gas, muy puro, contenido en un recipiente a alta presión y baja temperatura fluye por una tobera y se expande en un recinto donde se ha hecho un vacío muy elevado. En el transcurso de la expansión, la temperatura disminuye rápida- mente; los cambios en el estado termodinámico del gas se describen mediante una expansión adiabática. Las colisiones entre átomos condu- cen a la formación de agregados, que contienen un gran número de átomos (106 o 107). Luego se pro- duce una intensa evaporación, que reduce el tamaño y la temperatu- ra de las nanogotas. Estas suelen llegar al equilibrio térmico tras recorrer un metro en unos pocos milisegundos. Estudios teóricos y experimentales han determinado que se alcanzan temperaturas de 0,40 K y 0,15 K para gotas de 4He y 3He, respectivamente. Al final del recorrido, éstas se analizan mediante un espectrómetro de masas.
Entre la tobera y el espectrómetro se colocan diversos dispositivos que controlan las características de las nanogotas. Pensemos en un filtro de velocidades. Se basa éste en dos orificios alineados con el haz que se abren y cierran de forma sincroniza- da, de tal forma que los agregados que atraviesen el primer orificio pue- dan atravesar el segundo si el tiempo de vuelo entre los dos coincide con un valor predeterminado. Así se con- trola la velocidad.
Para conocer el tamaño de las gotas se coloca a continuación una cáma- ra de reacción, donde los agregados colisionan con átomos o moléculas producidos en un haz secundario. Puesto que las velocidades están pre- determinadas, las masas se deducen a partir del ángulo de deflexión del haz primario. Variando las condicio- nes iniciales de presión y temperatu- ra se puede controlar la distribución de masas. Por ejemplo, con presio- nes de 20 atmósferas y temperatu- ras de 12 a 15 K se obtienen gotas con 3× 103– 104átomos. A presión fija, un aumento de la temperatura produce gotas de menor tamaño, y viceversa.
En cuanto a la detección final, la espectrometría de masas no resulta adecuada para las gotas de pocos átomos, pues no distingue entre las señales producidas por masas peque- mientras los agregados de átomos
de helio constituyen nanogotas, los de otros gases nobles forman nano- sólidos.