6.10 Condensación de Bose–Einstein y Superfluidez

Inicio ／ Capítulo 6: Dominio cuántico (V5.05)

I. Fenómenos y preguntas que suscitan

Al enfriar mucho un conjunto de objetos bosónicos, dejan de actuar por separado y ocupan un mismo estado cuántico: se forma un “tapete” de fase alineada. Entre las señales experimentales figuran: franjas de interferencia al soltar a la vez dos condensados independientes; corrientes persistentes sin resistencia en anillos; y casi nula viscosidad ante un agitado suave, con vórtices cuantizados que aparecen bruscamente al superar un umbral. Las preguntas clave son: por qué un fluido tan frío fluye casi sin fricción; por qué la velocidad adopta escalones cuantizados; y por qué coexisten componentes “normal” y “superfluida”.

II. Lectura desde la Teoría de los Hilos de Energía (EFT): bloqueo de fase, cierre de canales y defectos cuantizados

En la Teoría de los Hilos de Energía (EFT), estructuras estables —como átomos o electrones apareados— surgen de devanados de hilos cuyo recubrimiento externo se acopla a la mar de energía (Energy Sea), mientras el núcleo mantiene su ritmo interno. Con espín total entero, el movimiento colectivo obedece reglas bosónicas y las fases se suman de forma coherente. Al enfriar lo suficiente ocurren tres procesos:

• Bloqueo de fase: desplegar un “tapete” de flujo
  Una temperatura menor reduce el ruido de fondo de tensión (TBN); hay menos perturbaciones que desordenan la fase. Las fases de las envolturas externas se alinean y tejen una red de fase común a escala macroscópica. El costo energético del movimiento colectivo cae de forma abrupta, como si el flujo discurriera por un corredor de tensión especialmente liso.
• Cierre de canales: la viscosidad se desploma
  La viscosidad ordinaria surge cuando la energía se fuga hacia el entorno por canales de pequeñas ondulaciones. Una vez formado el tapete, el orden colectivo suprime estos canales: las perturbaciones que romperían la coherencia se devuelven o se prohíben. Por tanto, a bajo empuje la resistencia es casi nula; al aumentar caudal o cizalla, el tapete ya no se conserva entero y se abren vías nuevas de disipación.
• Defectos cuantizados: aparecen vórtices
  El tapete no puede retorcerse a voluntad. Bajo esfuerzo suficiente cede mediante defectos topológicos. El defecto típico es el vórtice cuantizado: un núcleo filamentario de baja impedancia rodeado por un arrollamiento de fase de uno, dos, tres… enteros. El entero garantiza el cierre monovaluado. La creación y la aniquilación de vórtices pasan a ser la vía principal de disipación del superflujo.
• Dos componentes, de forma natural
  Mientras la temperatura no sea nula, una fracción no bloquea su fase. Esas partículas intercambian energía con el entorno y forman la componente normal, mientras que el tapete de fase constituye la componente superfluida. Así surge una descomposición “bifluido”: una parte conduce flujo casi sin pérdidas y la otra transporta calor y viscosidad. A menor temperatura, el tapete cubre más y crece la fracción superfluida.

Límite conceptual: en EFT, los bosones de gauge (fotones, gluones) se tratan como paquetes de onda que se propagan en la mar de energía, mientras que la condensación atómica implica el bloqueo de fase de estructuras estables arrolladas. Ambas siguen estadística bosónica, pero con “materiales” distintos: envolturas onduladas frente a grados de libertad colectivos de la capa externa.

III. Escenarios representativos: del helio a los átomos fríos

• Helio superfluido
  El helio-4 muestra efecto fuente, ascenso sin viscosidad por paredes y redes de vórtices. Visión EFT: el tapete de fase cubre el volumen; con empuje suave apenas abre canales de fuga hacia la mar de energía, hasta que la nucleación de vórtices se vuelve inevitable.
• Condensados diluidos de átomos fríos
  Nubes alcalinas en trampas magneto-ópticas se enfrían y condensan; al liberarlas, dos condensados independientes que se superponen generan franjas claras. Visión EFT: los bordes de ambos tapetes se alinean; las franjas son “patrones de alineamiento de fase”, no huellas de choques atómicos.
• Trampas anulares y corrientes persistentes
  En un anillo, la circulación puede durar muchísimo. Visión EFT: el número de arrollamiento del tapete cerrado queda bloqueado; solo un empuje por encima del umbral de vorticidad provoca un salto al siguiente entero.
• Velocidad crítica y obstáculos
  Una “cuchara” óptica arrastrada despacio no deja estela; por encima de cierta velocidad, aparece una calle de vórtices y la viscosidad crece. Visión EFT: a bajo empuje los canales permanecen cerrados; a alto empuje el tapete se desgarra y expulsa defectos que evacúan energía.
• Películas bidimensionales y pares de vórtices
  En 2D, vórtices y anti-vórtices se ligan; al calentar por encima de un punto, los pares se desatan y el orden se rompe. Visión EFT: el tapete en 2D solo tolera defectos apareados; si el par se separa, la red de fase colapsa.

IV. Huellas observables

• Interferencia: la superposición de condensados produce franjas estables cuyo desfase sigue la diferencia de fase global.
• Flujo casi sin viscosidad: a bajo empuje, la relación presión–caudal es casi sin disipación y la caída de presión no crece.
• Vórtices cuantizados: rotar o agitar con fuerza genera redes de vórtices; el conteo escala con la velocidad angular y el tamaño del núcleo es característico.
• Saltos críticos: rebasar cierta velocidad eleva de golpe la disipación y el calentamiento.
• Transporte bifluido: calor y masa pueden desacoplarse, y aparece un segundo modo sonoro, análogo a una “onda de entropía”.

V. Contraste con la descripción estándar

El lenguaje estándar usa una función de onda macroscópica (parámetro de orden) para el tapete de fase: la velocidad sigue el gradiente de fase; a baja velocidad no hay portadores energéticos excitables y no hay disipación. La velocidad crítica depende de si se excitan vórtices y fonones. La lectura EFT aporta una imagen más “material”: al suprimir el ruido de fondo de tensión (TBN), las fases se bloquean en una red común; a bajo empuje los canales de fuga se cierran; con empuje fuerte se abren como defectos cuantizados. Ambos relatos coinciden en observables y leyes de escala, pero enfatizan sustratos distintos: geometría-ondas frente a hilos-y-mar.

VI. En síntesis

La condensación de Bose–Einstein y la superfluidez no son rarezas del frío extremo, sino el resultado de bloquear fases en un tapete que abarca escalas. Ese tapete guía el flujo por los corredores de tensión más lisos y mantiene cerradas, a bajo empuje, las vías de pérdida; si forzamos, cede mediante vórtices cuantizados y comienza la disipación.
Una línea para recordar: el bloqueo de fase despliega el tapete y cierra canales; el empuje fuerte fuerza defectos y la disipación llega.