El espacio exterior es una vasta nada. No es un vacío perfecto; hasta donde saben los astrónomos, ese concepto solo existe en cálculos teóricos y Thriller de Hollywood. Pero aparte de el átomo de hidrógeno remanente flotando alrededoreso es una aspiradora.
Eso es importante porque aquí en la Tierra, gran parte del mundo moderno depende silenciosamente de vacíos parciales. Más que un lugar para que los físicos realicen experimentos divertidos, los entornos basados en máquinas son fundamentales para fabricar muchos de los componentes electrónicos en teléfonos y computadoras de última generación. Pero para medir realmente un vacío y comprender qué tan bueno será en la fabricación, los ingenieros confían en una tecnología relativamente básica que quedó de los días de tubos de vacío de la vieja escuela.
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Ahora, algunos equipos están trabajando en una actualización. Investigaciones recientes han traído una técnica novedosa, que se basa en la física atómica más nueva y genial (tan genial como -459 grados Fahrenheit), un paso más cerca de ser utilizada como un método estandarizado.
“Es una nueva forma de medir el vacío y creo que es realmente revolucionario”, dice kirk madisonfísico de la Universidad de Columbia Británica en Vancouver.
¿Qué hay dentro de un vacío?
Puede parecer difícil cuantificar nada, pero lo que en realidad está haciendo es leer la presión del gas dentro de un vacío; en otras palabras, la fuerza que los átomos restantes ejercen sobre el pozo de la cámara. Por lo tanto, medir vacíos se trata realmente de calcular presiones con mucha más precisión de la que puede manejar su meteorólogo local.
Hoy en día, los ingenieros pueden hacer eso con una herramienta llamada medidor de iones. Consiste en un cable en espiral que expulsa electrones cuando se inserta en una cámara de vacío; los electrones chocan con cualquier átomo de gas dentro de la espiral, convirtiéndolos en iones cargados. Luego, el indicador lee la cantidad de iones que quedan en la cámara. Pero para interpretar esa cifra, necesita saber la composición de los diferentes gases que está midiendo, lo cual no siempre es simple.
Los medidores de iones son primos tecnológicos de tubos de vacio, los componentes que alimentaban las radios antiguas y las colosales computadoras que llenaban habitaciones y pulpaban historias de ciencia ficción antes del desarrollo del transistor de silicio. “Son muy poco fiables”, dice Esteban Eckel, físico del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST). “Requieren una recalibración constante”.
Existen otras herramientas de medición de vacío, pero los medidores de iones son los mejores para obtener lecturas de presión de hasta mil millonésimas de Pascal (la unidad estándar de presión). Si bien esto puede parecer innecesariamente preciso, muchos fabricantes de alta tecnología quieren leer la nada con la mayor precisión posible. A pareja de técnicas comunes para fabricar componentes electrónicos y aparatos como láseres y las nanopartículas se basan en capas delicadas de materiales dentro de las cámaras de vacío. Esas técnicas necesitan vacíos puros de materia para funcionar bien.
Cuanto más puro es el voir, más difícil es identificar los átomos sobrantes, lo que hace que los medidores de iones sean aún menos confiables. Ahí es donde entran los átomos ultracongelados.
Jugando al billar con átomos
Durante décadas, los físicos han tomado átomos, los han pulsado con un láser finamente sintonizado y los han confinado en una jaula magnética, todo para mantenerlos atrapados a temperaturas de fracciones de grado por encima del cero absoluto. La frialdad obliga a los átomos, que de otro modo volarían, a quedarse quietos para que los físicos puedan observar cómo se comportan.
En 2009, Madison y otros físicos de varias instituciones de la Columbia Británica estaban observando átomos atrapados de rubidio frío, un elemento con propiedades psicrófilas, cuando se les ocurrió una nueva disposición.
Suponga que coloca una trampa llena de átomos ultrafríos en una cámara de vacío a temperatura ambiente. Se enfrentarían a un aluvión constante de átomos más calientes y de mayor energía que quedaran en el vacío. La mayoría de las partículas frenéticas se deslizarían a través de la trampa magnética sin previo aviso, pero algunas chocarían con los átomos atrapados y los sacarían de la trampa.
No es una medida perfecta: no todas las colisiones expulsarían con éxito a un átomo de la trampa. Pero si conoce la “profundidad” (o temperatura) de la trampa y un número llamado sección transversal atómica (esencialmente, una medida de la probabilidad de una colisión), puede averiguar con bastante rapidez cuántos átomos están entrando en el plano. Según eso, puedes saber la presión, junto con la cantidad de materia que queda en el vacío, explica Madison.
Tal método podría tener algunas ventajas sobre los medidores de iones. Por un lado, funcionaría para todos los tipos de gases presentes en el vacío, ya que no se producen reacciones químicas. Sobre todo, debido al hecho de que está haciendo cálculos a partir del comportamiento de los átomos, no es necesario calibrar nada.
Al principio, pocas personas en la comunidad física notaron el avance de Madison y sus colaboradores. “Nadie creía que el trabajo que estábamos haciendo fuera impactante”, dice. Pero en los 13 años transcurridos desde entonces, otros grupos han adoptado la tecnología ellos mismos. En China, el Instituto de Física de Lanzhou ha comenzado a construir su propia versión. También lo ha hecho una agencia del gobierno alemán.
El NIST es el último sujeto de prueba en la lista. Es la agencia estadounidense responsable de decidir los pesos y medidas oficiales del país, como el kilogramo oficial (sí, incluso el gobierno de los EE. UU. usa el sistema SI). Una de las tareas del NIST durante décadas ha sido calibrar esos medidores de iones perspicaces a medida que los fabricantes los enviaban. La nueva forma de los investigadores de la Columbia Británica presentó un atajo atractivo.
Un nuevo estándar para nada
El sistema del NIST no es exactamente como el que ideó el grupo de Madison. Por un lado, la agencia usa átomos de litio, que son mucho más pequeños y livianos que el rubidio. Eckert, quien participó en el proyecto NIST, dice que es mucho menos probable que estos átomos permanezcan en la trampa después de la colisión. Pero utiliza los mismos principios subyacentes que el experimento original, lo que reduce el trabajo porque no necesita ser calibrado una y otra vez.
“Si salgo y construyo una de estas cosas, será mejor que mida la presión correctamente”, dice Eckel. “De lo contrario, no es un estándar”.
NIST poner su sistema a prueba en los últimos dos años. Para asegurarse de que funcionara, construyeron dos dispositivos idénticos de átomos fríos y los hicieron funcionar en la misma cámara de vacío. Cuando encendieron los dispositivos, se sintieron consternados al descubrir que ambos producían mediciones diferentes. Al final resultó que, la cámara de vacío había desarrollado una fuga, lo que permitió que los gases atmosféricos se filtraran. “Una vez que arreglamos la fuga, estuvieron de acuerdo”, dice Eckel.
Ahora que su sistema parece funcionar contra sí mismo, los investigadores del NIST quieren comparar los átomos ultra enfriados con medidores de iones y otras técnicas anticuadas. Si estos también dan como resultado la misma medida, entonces los ingenieros pronto podrían acercarse a la nada por sí mismos.