1.

Me topé con el sodio en el laboratorio. Antes, como todo mundo, tenía familiaridad con la sal, el bicarbonato y los detergentes, entre otros compuestos de sodio. Llevando por símbolo químico Na (del latín, natrium), con su número atómico 11 y un electrón solitario listo para participar en enlaces químicos, el lugar del sodio en la primera columna de la Tabla Periódica es claro. Sabemos bien que el sodio en la Tierra es algo más que ordinario, baste decir que es esencial para la vida, pues constituye uno de los iones principales (junto con el potasio, el calcio y el cloro) que mantienen el estado eléctrico de la célula. Pero al sodio, al elemento, lo conocí personalmente hasta que ingresé a la comunidad de la física atómica.

2.

Una vez construida la máquina, recibimos el elemento que le daría alma: el sodio. La cápsula de vidrio contiene quince gramos de sodio puro que, a la vista, presenta una superficie de limpio lustre. Al tacto, rota ya la cápsula, un trozo de sodio parece un bloque de plastilina. Se pueden hacer rebanadas y hasta figuras con esta masa metálica. En pocos minutos aparece una capa blanquecina, producto de la reacción con el aire. Para no perder material, introducimos, lo más rápido posible, el sodio disponible dentro de una lata de acero. La lata se sella y sólo un agujero del tamaño de un alfiler atraviesa su costado. Colocamos entonces el sodio enlatado dentro de la máquina. Ésta se cierra y se extrae el aire de su interior, creando un vacío expectante. El sodio se encuentra al inicio de la historia.

En consonancia con la tradición, la irrupción de una corriente eléctrica otorga vida a la máquina. En este caso, la corriente fluye a través de una resistencia y produce calor. Esto eleva la temperatura de la lata hasta 250 grados centígrados y provoca que la plastilina metálica al interior de la lata se vuelva líquida y aparezca vapor de sodio. Los átomos del gas chocan con las paredes de manera constante. En el danzón estocástico, una fracción de átomos individuales emerge por el agujero de la lata y forma un haz atómico: un chorro que viaja a una velocidad de unos 1000 metros por segundo. La máquina ahora está viva, átomos de sodio fluyen en su interior a manera de columna vertebral. En el otro extremo de la máquina, una telaraña de luz espera con paciencia capturar estos átomos. Para que eso ocurra, los átomos del chorro deben seguir el camino amarillo.

Al tacto, rota ya la cápsula, un trozo de sodio parece un bloque de plastilina. Se pueden hacer rebanadas y hasta figuras con esta masa metálica. En pocos minutos aparece una capa blanquecina, producto de la reacción con el aire.

En la visión que proporciona la mecánica cuántica, los electrones se encuentran asociados a núcleos atómicos con energías que adoptan valores discretos. Estos niveles de energía tienen ocupación discreta y finita, por lo que los electrones van llenando niveles hasta completar el número disponible. Para el sodio, sus once electrones se disponen así: dos llenan un primer nivel, ocho llenan el segundo y el onceavo ocupa un tercer nivel. El electrón solitario del tercer nivel (llamado “de valencia”) se desprende con relativa facilidad del átomo, dejando un ion con carga eléctrica positiva y permite una enorme variedad de reacciones químicas. Por otra parte, con un solo electrón de valencia, el sodio tiene una física atómica relativamente simple. Al iluminar al átomo de sodio con luz de color amarillo cálido (aproximadamente 589 nanómetros; en realidad la longitud de onda se precisa con varias cifras significativas), se promueve un salto del electrón de valencia a un nivel de energía superior. El electrón promovido permanece en este nuevo estado durante unos 16 nanosegundos y después decae de manera espontánea a su estado de energía original, emitiendo un fotón de fluorescencia. Este viaje de ida y vuelta del electrón entre niveles de energía es conocido como una transición cíclica y juega un papel central en la vida de nuestra máquina.

El camino amarillo es un haz láser (claro, de color amarillo) que viaja en dirección contraria al chorro de átomos de sodio. En el tránsito por este sendero, los átomos viajeros efectúan miles de transiciones cíclicas. En cada una de estas transiciones (absorción y posterior emisión de un fotón), la luz imparte un empujón característico al átomo que disminuye su velocidad (una reducción de 3 centímetros por segundo). En efecto, aparte de iluminar y de proporcionar calor,

Nuestro chorro de átomos tiene velocidad de 1000 m/s (3600 km/h), por lo que algunas decenas de miles de transiciones cíclicas reducen la velocidad de los átomos hasta unos 30 m/s. Ahora que los átomos se desplazan dentro de la máquina a una velocidad típica de un automóvil en carretera (108 km/h), la telaraña de luz despierta para atraparlos.

Para entender cómo la luz consigue a su presa, consideremos al Principito en su asteroide. Al dar un salto, él queda suspendido por un momento y eventualmente regresa a la superficie del planeta pequeño. Si el asteroide estuviese rodeado de miel, los saltos del Principito serían más trabajosos, menos efectivos los esfuerzos para suspender. Si de casualidad una roca o una rosa de otro planeta llegasen a este hogar del Principito, roca o rosa detendrían su viaje (desaceleradas por la fricción con la miel) y serían además capturadas por el asteroide (debido a la fuerza de gravedad). Algo similar, imagino, debe suceder con los átomos de sodio al llegar a la telaraña de luz (llamada trampa magneto-óptica). En esta trampa, un conjunto de seis haces de láser que viajan en diferentes direcciones y convergen en un punto, junto con el campo magnético proporcionado por un par de bobinas eléctricas, enfrían a los átomos (es decir, reducen su velocidad) y los capturan en una región esférica de unos pocos milímetros de diámetro. La física que permite esto, es, nuevamente, el delicado pero decidido empuje mecánico de la luz sobre los átomos.

Un corazón de luz en nuestra máquina: eso es la trampa óptica. Ahí, con dicha trampa se logran contener unos mil millones de átomos de sodio y enfriarlos hasta lograr velocidades típicas de 3 cm/s (0.1 km/h). Podemos hablar de una nube atómica ultra-fría, pues su temperatura corresponde a 0.1 milikelvin. En un performance extraordinario, la magnitud de esta temperatura se puede ver: al apagar la trampa y dejar la luz encendida, a simple vista se observa una tenue nube amarilla. Inicialmente concentrada, la nube se expande a la velocidad del aliento.

Un corazón de luz en nuestra máquina: eso es la trampa óptica.

El sueño de esta máquina es enfriar a los átomos de sodio hasta alcanzar un nuevo estado de la materia. Hemos de superar la fantasía; sólo faltan unas manos magnéticas y una taza de buen café. La telaraña de luz se apaga y la nube atómica de sodio es capturada y comprimida por un fuerte campo magnético creado por alambres de cobre en donde circula una corriente de 500 amperes. El corazón pasa de la luz a la tiniebla. En esta otra trampa, magnética y que funciona porque el átomo de sodio tiene asociado un pequeño imán, los átomos más energéticos son removidos de manera selectiva. Con los átomos de la furia fuera, la nube atómica que permanece capturada disminuye su temperatura. Justo como cuando enfriamos una taza de café.

Un segundo, diez, veinte. La nube atómica se enfría cada vez más al paso del tiempo en la oscuridad. De pronto, cuando la nube alcanza una temperatura cercana a 1 microkelvin, se cruza un umbral. «Algo debió pasar, eso es seguro». Antes del cruce, los átomos de algún modo poseían cierta identidad, ya que a cada uno era posible asociar una velocidad (magnitud y dirección) característica. Ahora, surge un nuevo estado, en donde diez millones de átomos de sodio se comportan como un solo animal (llamado condensado de Bose-Einstein). En la mitología de las fuentes de luz, se tiene primero una lámpara y luego un láser. Antes de cruzar el umbral teníamos una lámpara, después del cruce tenemos un láser. Un láser de materia. A nuestra máquina le damos un trozo de sodio y ella nos regresa un condensado, un láser de sodio.

En los sótanos del edificio de Física y Astronomía, convertidos en zoológico atómico, miramos maravillados al condensado. Es un animal cuántico, lo cual quiere decir que su presencia abre una puerta para comprender las reglas que operan en el mundo de la escala atómica. De sólido, a líquido, a gas, a condensado cuántico: en nuestra máquina el sodio está en su elemento.

 

3.

En su reporte de 1807, The Bakerian Lecture, on some new Phenomena of chemical Changes produced by Electricity, particularly the Decomposition of the fixed Alkalies, and the Exhibiton of the new substances which constitute their bases; and on the general Nature of alkaline Bodies, Humphry Davy describe cómo, al aplicar una corriente eléctrica para descomponer carbonatos llamados “soda”, descubrió y aisló por primera vez un nuevo elemento que llamó sodio. A la edad de 28 años, Davy hizo su descubrimiento mediante “procesos cuidadosamente realizados y con frecuencia repetidos”. Entre este rigor, Davy reconoce que “ha sido mi buena fortuna obtener resultados nuevos y singulares.”

 

Davy

Navegante experto
en la ardua disciplina
y con el favorable azar:
así inicia la historia
de un elemento entre nosotros.

Dos segundos y dos siglos después
¿Qué sabemos?
Vemos pasar al átomo
de sodio entre las proteínas
y girar en desequilibrio
por el rumbo molecular
de todo lo que nombramos vida.

Vemos también su luz
apuntar hacia las estrellas,
iluminar el paso del caminante
que se divierte solo por andar
(Dirac, entre otros)
y al adivinar
aquello que se esconde
bajo el ala del tono amarillo.

Pero
¿qué más da si el sodio
está en un condensado
o en el interior de un chícharo?
Cada uno con su historia,
contribuye a celebrar la suma:

riqueza en tiempo presente,
eso es lo que somos. C2

 

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Sobre el autor

IPICYT

Realizó su doctorado en física atómica y óptica cuántica en la UT-Austin, y una estancia posdoctoral en la Universidad de Stanford (en biofísica molecular). Desde 2009 trabaja en el IPICYT, en sistemas biológicos utilizando técnicas de la biofísica experimental. Recibió el Premio Jorge Lomnitz Adler de la Academia Mexicana de Ciencias (2018). Es nivel II del SNI.

POR:

Realizó su doctorado en física atómica y óptica cuántica en la UT-Austin, y una estancia posdoctoral en la Universidad de Stanford (en biofísica molecular). Desde 2009 trabaja en el...

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