Se descubre una desviación aparente de las leyes de la termodinámica

Para los químicos y físicos, enfriar muestras de partículas cargadas, llamadas iones, hace que sea más fácil su control y estudio. Así que utilizan un método similar de enfriamiento de gas para reducir la temperatura de los iones atrapándolos y sumergiéndolos en nubes de átomos fríos a continuación.

Las colisiones con los átomos enfrían los originalmente iones calientes mediante la transferencia de energía de los iones a los átomos, de la misma forma en que un pastel caliente de manzana se enfría junto a una ventana fría, dijo Eric Hudson, profesor asociado de física en la UCLA.

Pero una nueva investigación de Hudson y su equipo, publicada en la revista 'Nature Communications', demuestra que en realidad los iones nunca se enfrían a la temperatura del gas que los rodea. También, muy sorprendentemente, descubrieron que, bajo ciertas condiciones, se dan dos temperaturas finales, y la temperatura que los iones eligen depende de su temperatura de partida.

"Esta aparente desviación de las leyes conocidas de la termodinámica es similar a que nuestra tarta de manzana se refrigerase como cabe esperar o que estallase en llamas espontáneamente, dependiendo de la temperatura exacta del pastel cuando se coloca en la ventana", dijo Hudson, autor principal del estudio.

Por primera vez, los investigadores de la UCLA han puesto límites fundamentales sobre el uso del sistema de enfriamiento de gas para crear "trampas de iones". Para realizar su experimento, los investigadores prepararon una muestra microscópica de iones enfriados por láser del elemento químico bario y la sumergieron en nubes de aproximadamente 3 millones de átomos de calcio enfriados por láser. Los investigadores logran moléculas extremadamente frías en circunstancias muy controladas para revelar propiedades de la mecánica cuántica que normalmente están ocultos.

Los iones fueron atrapados en un aparato que hace levitar partículas cargadas mediante el uso de campos eléctricos que oscilan millones de veces por segundo, confinando los iones a un área más pequeña que el ancho de un cabello humano. Tanto las muestras atómicas como las iónicas fueron llevadas a temperaturas ultra frías -sólo una milésima de grado por encima del cero absoluto- a través de una técnica en que el impliso de la luz en un láser se utiliza para ralentizar el movimiento de partículas.

Después de permitir las colisiones entre átomos e iones y que el sistema alcanzase su temperatura final, los físicos eliminaron los átomos de calcio y midieron la temperatura de los iones de bario. Los resultados, que muestran la existencia de múltiples temperaturas finales basándose en la temperatura inicial y el número de iones, sugieren que una física sutil de no equilibrio está en juego.

El autor principal, Steven Schowalter, un investigador estudiante graduado en el laboratorio de Hudson y ahora científico en el Jet Propulsion Laboratory, dijo: Nuestros resultados demuestran que no se puede utilizar simplemente cualquier gas refrigerador en el dispositivo, sin importar lo frío que esté, y esperar que funcione como un refrigerante eficaz.

Esta técnica de enfriamiento por gas es crítica en campos que van desde la medicina forense a la generación de antimateria. Según el grupo de investigación de Hudson, se han descubierto matices significativos que revisan los conocimientos actuales sobre el proceso de enfriamiento, explican las dificultades encontradas en los experimentos anteriores de refrigeración y muestran un nuevo camino a seguir para la creación de muestras de iones ultra-fríos.